DE10108006A1 - Verfahren zur Überwachung einer Hubkolbenmaschine sowie diesbezügliche Hubkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Bei der Überwachung einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit wenigstens einem in einem zugeordneten Zylinder (4) angeordneten Arbeitskolben (5), der über ein eine verschiebbare Flüssigkeitssäule enthaltendes Hydrauliksystem mit einem rotierbaren Organ (3) zusammenwirkt, lässt sich dadurch eine hohe Betriebssicherheit erreichen, dass eine Überwachungseinrichtung (25) vorgesehen ist, die zumindest im Bereich jedes Hydrauliksystems wenigstens einen diesem zugeordneten Drucksensor (28) und eine mit den von allen Drucksensoren (28) aufgenommenen Messwerten beaufschlagbare Auswerteeinrichtung (26) enthält.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Erfindungsgedanken ein Verfahren zur Überwachung einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei dem zumindest ein Druck gemessen und überwacht wird, und geht gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken auf eine mit einer Überwachungseinrichtung versehene Hubkolbenmaschine, insbesondere Hubkkolbenbrennkraftmaschine, die wenigstens einen in einem zugeordneten Zylinder angeordneten Arbeitskolben aufweist, der über ein eine verschiebbare Flüssigkeitssäule enthaltendes Hydrauliksystem mit einem rotierbaren Organ zusammenwirkt.

Eine Hubkolbenmaschine vorstehend genannter Art ist beispielsweise aus der DE 21 03 348 A1 bekannt. Diese Veröffentlichung enthält zwar keine Hinweise auf eine Überwachungseinrichtung. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch bei den hieraus entnehmbaren Brennkraftmaschinen wie bei anderen Brennkraftmaschinen bisher üblicher Bauart eine Überwachung des Betriebsdrucks etc. erforderlich ist, um gute Betriebswerte einzuhalten. Hierzu wird bisher der im Brennraum entstehende Zünddruck gemessen. In Verbindung mit der Kolbenbewegung kann hieraus beispielsweise die Leistung errechnet werden. Hierbei werden jedoch durch Reibung zwischen Kolben und Zylinderbüchse etc. verursachte Verluste nicht erfasst, was zu Ungenauigkeiten führt. Dieser Nachteil wird bei Motoren mit hydrostatischer Kraftübertragung hier vorliegender Art dadurch noch verschärft, dass in Folge nicht vermeidbarer Leckagen und der Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit eine exakte Lagebestimmung des Arbeitskolbens erschwert wird, wodurch sich weitere Ungenauigkeiten ergeben können. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die zur Messung des Drucks im Verbrennungsraum verwendeten Drucksensoren der hohen Verbrennungstemperatur sowie aggressiven Verbrennungsrückständen ausgesetzt sind, was die Lebensdauer begrenzt. Außerdem besteht die Gefahr, dass die vom Verbrennungsraum zu einem Drucksensor führende, als enge Bohrung ausgebildete Sensorleitung durch Verbrennungsrückstände verstopft wird, was ebenfalls zu Störungen führen kann. Ein besonderes Manko der bekannten Überwachungssysteme ist aber darin zu sehen, dass diese keinerlei Anhaltspunkte für einen beginnenden Kolbenfresser liefern können, da durch einen beginnenden Kolbenfresser der Druck im Verbrennungsraum nicht nennenswert beeinflusst wird. Kolbenfresser können aber bekanntlich zu hohen Folgeschäden oder Totalschaden führen. Hinzu kommt, dass die genannte DE 21 03 348 A1 auch keine Möglichkeit zur Überwachung von Leckverlusten von Hydraulikflüssigkeit erkennen lässt. Es ist daher nicht die erwünschte Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung einer Hubkolbenmaschine mit hydrostatischer Kraftübertragung sowie eine derartige Hubkolbenmaschine mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass eine hohe Betriebssicherheit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass bei einer Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem in einem zugeordneten Zylinder angeordneten Arbeitskolben, der über ein eine verschiebbare Flüssigkeitssäule enthaltendes Hydrauliksystem mit einem rotierbaren Organ zusammenwirkt, zumindest der Druck in jeder Flüssigkeitssäule laufend gemessen und überwacht wird.

Dementsprechend ist bei der gattungsgemäßen Hubkolbenmaschine eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die zumindest im Bereich jedes Hydrauliksystems wenigstens einen diesem zugeordneten Drucksenor und eine mit den von allen Drucksensoren aufgenommenen Messwerten beaufschlagbare Auswerteeinrichtung aufweist.

Mit diesen Maßnahmen lassen sich die eingangs geschilderten Nachteile vollständig vermeiden und eine hohe Betriebssicherheit erreichen. Die erfindungsgemäße Überwachung des Drucks im Hydrauliksystem ermöglicht in vorteilhafter Weise sowohl eine frühzeitige Erkennung eines sich anbahnenden Kolbenfressers, als auch eines Leckverlusts von Hydraulikflüssigkeit und/oder Verbrennungsgas als auch einer Abnormalität der Verbrennung. In jedem dieser Fälle ergibt sich ein jeweils spezifischer Verlauf des Drucks im Hydrauliksystem, der als beginnender Kolbenfresser oder Leckverlust oder abnormale Verbrennung interpretiert werden kann. Das ermöglicht in vorteilhafter Weise eine frühzeitige Einleitung von entsprechenden Gegenmaßnahmen und gewährleistet damit eine hohe Betriebssicherheit. Da die zur Überwachung des Drucks im Hydrauliksystem benötigten Drucksensoren nur mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden, die eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist und keine korrosiven Rückstände enthält, ist in vorteilhafter Weise auch eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit der Drucksensoren gewährleistet. Die erfindungsgemäße Überwachung des Drucks im Hydrauliksystem ermöglicht in vorteilhafter Weise in Verbindung mit der Bestimmung des Volumens der Hydraulikflüssigkeitsverdrängung auch eine zuverlässige Bestimmung der Leistung, wobei durch Kolbenreibung verursachte Verluste automatisch berücksichtigt sind, was eine hohe Genauigkeit gewährleistet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann bei einer Hubkolbenmaschine, bei der die Flüssigkeitssäule durch einen an den Arbeitskolben angehängten ersten Hydraulikkolben, der in einem ersten Hydraulikzylinder angeordnet ist und einen mit dem rotierbaren Organ zusammenwirkenden, zweiten Hydraulikkolben begrenzt ist, der in einem zweiten Hydraulikzylinder angeordnet ist, der mit dem ersten Hydraulikzylinder durch eine Hydraulikleitung verbunden ist, der Drucksensor zweckmäßig im Bereich des zweiten Hydraulikzylinders vorgesehen sein. Dies ergibt in vorteilhafter Weise eine Druckmessung möglichst weit weg vom Brennraum.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass eine an die Auswerteinrichtung angeschlossene, die Drehstellung des rotierbaren Organs aufnehmende Winkelmesseinrichtung vorgesehen ist. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine exakte Bestimmung des geometrischen Verdrängungsvolumens und damit in Verbindung mit dem Druck im Hydrauliksystem eine exakte Leistungsberechnung. In einfachen Fällen kann die Winkelmesseinrichtung dem rotierbaren Organ selbst zugeordnet sein, so dass zusätzliche Bauteile entfallen.

Vorteilhaft kann die Winkelmesseinrichtung wenigstens einen induktiven Sensor aufweisen. Dies ergibt eine sehr platzsparende und kompakte sowie unempfindliche Anordnung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, dass die Auswerteeinrichtung als Rechner ausgebildet ist, der wenigstens einen Ausgang für ein dem Druck zugeordnetes Signal und vorzugsweise wenigstens einen weiteren Ausgang für ein der Leistung zugeordnetes Signal aufweist. Der Rechner kann auf einfache Weise als Regler oder Komperator genutzt werden, der die gemessenen Druckwerte bzw. die errechneten Leistungswerte mit anderen Werten vergleicht und hiervon abhängige Steilsignale ausgibt. Zur Bewerkstelligung von Änderungen des Regelverhaltens etc. sind hier in vorteilhafter Weise lediglich Daten zu ändern, keine Einrichtungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zweitakt-Dieselmotor teilweise im Schnitt und

Fig. 2-4 drei charakteristische Druckbilder.

Die in Fig. 1 dargestellte, als Zweitakt-Dieselmotor ausgebildete Hubkolbenmaschine besitzt ein Gehäuse 1 mit einem kastenförmigen Unterteil, in welchem eine über die ganze Länge durchgehende Welle 2 gelagert ist, bei der es sich im vorliegenden Fall um eine Abtriebswelle handelt. Auf der Welle 2 ist wenigstens eine drehschlüssig hiermit zusammenwirkende Nockenscheibe 3 aufgenommen. Diese ist einfach auf die Welle 2 aufgeschrumpft. Sie könnte aber auch mittels einer hier nicht näher dargestellten Kupplungseinrichtung drehschlüssig mit der Welle 2 kuppelbar sein.

Jeder Nockenscheibe 3 sind zwei in einem gemeinsamen Zylinder 4 angeordnete, gegenläufige Arbeitskolben 5 zugeordnet, die einen Brennraum 6 begrenzen und die über ein jeweils zugeordnetes Hydrauliksystem antriebsmäßig mit der Nockenscheibe 3 als rotierbarem Organ zusammenwirken, das heißt die im Brennraum 6 erzeugte Leistung wird von den Arbeitskolben 5 über ein jeweils zugeordnetes Hydrauliksystem auf das rotierbare Organ, hier in Form der Nockenscheibe 3, überführt. Die den beiden Arbeitskolben 5 zugeordneten Hydrauliksysteme sind vollständig voneinander getrennt. Der Zylinder 4 ist mit liegender Achse und bezüglich der Nockenscheibe 3 mittig auf dem oben erwähnten Unterteil des Gehäuses 1 aufgenommen.

Die beiden voneinander getrennten Hydrauliksysteme umfassen jeweils einen koaxial zum jeweils zugeordneten Arbeitskolben 5 angeordneten, durch eine starre Verbindungsstange 7 hiermit verbundenen, ersten Hydraulikkolben 8, der in einem zugeordneten, ersten Hydraulikzylinder 9 angeordnet ist. Jeder erste Hydraulikzylinder 9 ist über eine durch eine Rohrleitung oder Schlauchleitung gebildete Hydraulikleitung 10 mit einem zweiten Hydraulikzylinder 11 verbunden, in welchem ein zweiter Hydraulikkolben 12 angeordnet ist, der über ein jeweils zugeordnetes, am Umfang der Nockenscheibe 3 anliegendes Anlaufelement 13 mit der Nockenscheibe 3 zusammenwirkt. Die Hydraulikzylinder 9, 11 sind am Gehäuse 1 angebracht. Die beiden, zu den beiden Hydrauliksystemen gehörenden Anlaufelemente 13 sind gegeneinander versetzten Umfangsbereichen der Nockenscheibe 3 zugeordnet, hier diametral einander gegenüberliegend angeordnet und zwar so, dass sie beim Abfahren der Umfangskontur der Nockenscheibe 3 gegenläufige Bewegungen ausführen. Dementsprechend führen auch die beiden zweiten Hydraulikkolben 12 gegenläufige Bewegungen aus. Die Gegenläufigkeit der Arbeitskolben 5 sowie der Hydraulikkolben 8 bzw. 12 gewährleistet ohne zusätzliche Maßnahmen einen zuverlässigen Massenausgleich.

Die Anlaufelemente 13 können selbstverständlich auch gegenüber der dargestellten, einander diametral gegenüberliegenden Position versetzt sein, um den Kolbenhub und/oder Motortakt zu beeinflussen und so optimale Betriebsverhältnisse herzustellen. Auf diese Weise lassen sich z. B. die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der weiter unten noch näher erwähnten Ein- und Auslaßschlitze verändern. Die Versetzung kann unter Beibehaltung einer bezüglich der Achse der Nockenscheibe 3 radialen Anordnung der Anlaufelemente 13 durch Änderung des Winkelabstands oder unter Aufgabe der radialen Anordnung durch Parallelversetzung erfolgen. Sofern eine gegenläufige Parallelversetzung erfolgt ergibt sich gegenüber der gezeichneten Anordnung praktisch keine Änderung. In vielen Fällen genügt es, die Anlaufelemente 13, wie im dargestellten Beispiel, fix zu positionieren. Es wäre aber auch eine verstellbare Anordnung denkbar. Dabei wäre es z. B. möglich, die Anlaufelemente in Abhängigkeit von der Last des Motors zu verstellen.

Die Anlaufelemente 13 sind hier zur Vermeidung von Gleitreibung als drehbar gelagerte Rollen ausgebildet. Diese sind auf einem jeweils zugeordneten Tragorgan 14 aufgenommen, das hierzu mit einer zur Welle 2 parallelen Achse 15 versehen ist, auf der die jeweils zugeordnete Rolle drehbar gelagert ist. Die Tragorgane 14 sind in quer zur Welle 2 verlaufender Richtung verschiebbar gelagert, so dass das jeweils zugeordnete Anlaufelement 13 der Kontur der Nockenscheibe 3 folgen kann. Zweckmäßig sind die Anlauforgane 14 hierzu nach Art eines Kolbens in einer jeweils zugeordneten, gehäusefesten Büchse 16 verschiebbar gelagert.

Die Tragorgane 14 besitzen jeweils einen dem zugeordneten Anlaufelement 13 gegenüberliegenden, zapfenförmigen Ansatz 17, an welchem der jeweils zugeordnete, zweite Hydraulikkolben 12 lose anliegt. Zweckmäßig wird der Ansatz 17 vom zugeordneten, zweiten Hydraulikkolben 12 topfartig übergriffen. Die zweiten Hydraulikkolben 12 werden durch den hydraulischen Druck in der von ihnen jeweils begrenzten Hydraulikkammer in axialer Richtung in Anlage am jeweils zugeordneten Ansatz 17 gehalten. Infolge der losen Anlage besitzen die zweiten Hydraulikkolben 12 in radialer Richtung Bewegungsfreiheit gegenüber dem jeweils zugeordneten Ansatz 17.

Im dargestellten Beispiel liegt, wie oben schon erwähnt, eine Hubkolbenmaschine in Form eines Zweitakt-Dieselmotors vor. Der Zylinder 4 der Arbeitskolben 5 ist dementsprechend mit Einlaßschlitzen 21 und Auslaßschlitzen 22 sowie mit einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 23 versehen. Die Ein- und Auslaßschlitze 21, 22 sind so voneinander distanziert, dass sie von jeweils einem der beiden Arbeitskolben 5 gesteuert werden. Im dargestellten Beispiel werden die Einlaßschlitze 21 vom rechten Arbeitskolben 5 und die Auslaßschlitze 22 vom linken Arbeitskolben 5 gesteuert. Die Ein- und Auslaßschlitze 21, 22 sind dabei so positioniert, dass sie geöffnet sind, wenn sich die gegenläufigen Arbeitskolben 5 in ihren voneinander entfernten Umkehrpositionen befinden. Die beiden Arbeitskolben 5 sind bis auf einen kleinen Abstand, der dem kleinsten Volumen des Brennraums 6 entspricht, aneinander annäherbar. Diese Situation liegt der Zeichnung zugrunde. In diesem von den Arbeitskolben 5 nicht überfahrenen Bereich ist die Kraftstoff- Einspritzeinrichtung 23 positioniert. Dieser Bereich entspricht praktisch der Mitte des Zylinders 4. Die Einspritzeinrichtung 23 kann aus einer oder mehreren, über den Umfang verteilten Einspritzdüsen stehen.

Die Arbeitskolben 5 werden durch den im Brennraum 6 erzeugten Verbrennungsdruck bewegt. Mit den Arbeitskolben 5 bewegen sich die starr hiermit verbundenen ersten Hydraulikkolben 8, deren Bewegung über die zwischen den ersten Hydraulikkolben 8 und den zweiten Hydraulikkolben 12 jeweils vorhandene Flüssigkeitssäule auf die zweiten Hydraulikkolben 12 übertragen wird. Diese stützen sich unter der Wirkung des Hydraulikdrucks unter Vermittlung der Tragorgane 14 und deren Anlaufelemente 13 an der Nockenscheibe 3 ab, wodurch diese in Drehung versetzt wird. Die Rückführbewegung wird durch die rotierende Nockenscheibe bewerkstelligt, die unter Vermittlung der Anlaufelemente 13 und der diesen zugeordneten Tragorgane 14 die zweiten Hydraulikkolben 12 verschiebt, deren Bewegung über die Flüssigkeitssäule auf die ersten Hydraulikkolben 8 und von diesen über die Stangen 7 auf die Arbeitskolben 5 übertragen wird. Durch den Druck im Brennraum 6, der bei Beendigung des Arbeitshubs praktisch dem um die durch das Verhältnis der Kolbenflächen bewirkten Übersetzung erhöhten Druck der durch die Einlaßschlitze 21 zugeführten Luft entspricht, wird dabei ein Abreißen der Flüssigkeitssäule vermieden. Als Hydraulikflüssigkeit kann zweckmäßig Schmieröl Verwendung finden, so dass nicht vermeidbare Leckagen einfach in den Ölsumpf abtropfen können.

Um einen sicheren Betrieb des dargestellten Dieselmotors zu gewährleisten, ist eine Überwachungseinrichtung 25 vorgesehen, die den Druck in den beiden, den beiden Arbeitskolben 5 zugeordneten Hydrauliksystemen und die Position der zweiten Hydraulikkolben 12 als mit dem geometrischen Volumen der jeweils verdrängten Hydraulikflüssigkeit korrelierendes Maß erfasst und auswertet. Der Druck in den Hydrauliksystemen kann Auskunft über Betriebsstörungen, wie Kolbenreibung, Leckverluste von Hydraulikflüssigkeit und/oder Brenngas, Verbrennungsabnormalitäten geben, da Betriebsstörungen dieser Art den Druck in den Hydrauliksystemen beeinflussen. Außerdem kann an Hand des genannten Drucks und des geometrischen Volumen der verdrängten Hydraulikflüssigkeit die Leistung berechnet werden, die Grundlage für viele Einstellungen ist.

Die Überwachungseinrichtung 25 besitzt eine als Rechner ausgebildete Auswerteeinrichtung 26, die zwei Eingänge 27 für von zwei den beiden Hydrauliksystemen zugeordneten Drucksensoren 28 abgegebene, dem gemessenen Druck in den Hydrauliksystemen entsprechende Signale und einen weiteren Eingang 29 für ein der Position der zweiten Hydraulikkolben 12 entsprechendes Signal aufweist. Die Messung der Position der zweiten Hydraulikkolben 12 als mit dem geometrischen Volumen der verdrängten Hydraulikflüssigkeit korrelierendes Maß ist im Hinblick auf die erzielbare Genauigkeit besonders zu bevorzugen, wenngleich auch andere Messgrößen in Frage kommen können, wie die Position der ersten Hydraulikkolben 8 oder der Arbeitskolben 5.

Die Drucksensoren 28 können zweckmäßig mit geeigneten Wandlern versehen sein, die den gemessenen Druck in ein hiermit korrelierendes, elektrisches Signal umwandeln, so dass der die Auswerteeinrichtung 26 bildende Rechner mit dem Druck entsprechenden elektrischen Signalen beaufschlagt wird, die durch elektrische Signalleitungen 30 übertragen werden können. Die Drucksensoren 28 sind hier an den Arbeitsraum des zweiten Hydraulikzylinders 11 des jeweils zugeordneten Hydrauliksystems angesetzt, wodurch sich ein besonders großer Abstand zum Brennraum 6 ergibt. Die Erfassung des Drucks in den den Arbeitskolben 5 zugeordneten Hydrauliksystemen hat auch den Vorteil, dass die Drucksensoren 28 nicht in Kontakt mit heißen Brenngasen und aggressiven Verbrennungsrückständen kommen können.

Zur Bildung eines dem geometrischen Volumen der verdrängten Hydraulikflüssigkeit, hier der Position der zweiten Hydraulikkolben 12 entsprechenden Signals wird im dargestellten Beispiel die Drehstellung des rotierbaren Organs, d. h. hier der Nockenscheibe 3, abgetastet, die mit den zweiten Hydraulikkolben 12 direkt bzw. über eine in sich starre Anordnung zusammenwirkt, so dass sich eine direkt, genaue Beziehung zum Volumen der verdrängten Flüssigkeit ergibt. Hierzu ist eine der Nockenscheibe 3 zugeordnete Winkelmesseinrichtung 31 vorgesehen. Diese kann als mit einer mit von der Geschwindigkeit der Nockenscheibe 3 abhängigen Geschwindigkeit rotierbaren Inkrementalscheibe zusammenwirkende Lichtquelle ausgebildet sein. Im dargestellten Beispiel enthält die Winkelmesseinrichtung 31 einfach einen der Nockenscheibe 3 direkt zugeordneten, induktiven Sensor 32, der über eine Signalleitung 33 mit dem zugeordneten Eingang 29 der Auswerteeinrichtung 26 verbunden ist. An Stelle einer Abtastung der Drehstellung der Nockenscheibe 3 zur Bestimmung der Position der zweiten Hydraulikkolben 12 als vom geometrischen Volumen der verdrängten Hydraulikflüssigkeit abhängigem Maß, könnte das geometrische Volumen der verdrängten Hydraulikflüssigkeit auch durch eine direkte Erfassung der Bewegung vorzugsweise der zweiten Hydraulikkolben 12 oder hilfsweise der ersten Hydraulikkolben 8 oder Arbeitskolben 5 bestimmt werden.

Der die Auswerteeinrichtung 26 bildende Rechner ist so ausgebildet, dass er aus den dem Druck in den Hydrauliksystemen und der Drehstellung der Nockenscheibe 3, aus der sich die Stellung der zweiten Hydraulikkolben 12 und damit das geometrische Volumen der verdrängten Hydraulikflüssigkeit ableiten lässt, entsprechenden Eingangssignalen die Leistung berechnet und ein geeignetes Signal erzeugt, das an einem der Leistung zugeordneten Ausgang 34 ansteht. Dabei kann es sich um ein der Leistung eines Kolbens oder eines Doppelkolbenaggregats oder des ganzen Motors entsprechendes Signal handeln. Dieses Signal kann dazu benutzt werden, beispielsweise die mittels der Einspritzeinrichtung 23 einspritzbare Brennstoffmenge zu steuern, wie durch eine Signalleitung 35 angedeutet ist. Im dargestellten Beispiel wird dieses Signal mittels einer weiteren Signalleitung 36 auch einer nachgeordneten Anzeigeeinrichtung 37 zugeführt, auf der die effektive Leistung angezeigt wird. Bei Betriebsstörungen, wie bei einem beginnenden Kolbenfresser eines Arbeitskolbens 5 oder Hydraulikkolbens 8 oder wie bei Leckverlusten von Hydraulikflüssigkeit oder Verbrennungsgas oder wie bei Abnormalitäten der Verbrennung, ergibt sich jeweils ein charakteristischer Verlauf des Drucks im betroffenen Hydrauliksystem. In den Fig. 2 bis 4 sind derartige Druckverläufe über dem einer Nocke der Nockenscheibe 3 entsprechenden Drehwinkel der Nockenscheibe 3 angegeben, wobei der bei störungsfreiem Betrieb zu erwartende Druckverlauf bzw. ein erwünschter Sollwert des Druckverlaufs mit einer ununterbrochenen Linie S und der störungsspezifische Druckverlauf mit einer unterbrochenen Linie A₁ bzw. A₂ bzw. A₃ gezeichnet sind.

Ein beginnender Kolbenfresser von Arbeitskolben 5 bzw. Hydraulikkolben 8 äußert sich in einer erhöhten Kolbenreibung. Sofern ein Arbeitskolben 5 oder ein erster Hydraulikkolben 8 betroffen ist, ergibt sich beim Kompressionshub des Arbeitskolbens 5 im Hydrauliksystem der zugeordneten Seite ein den Solldruck übersteigender und beim Expansionshub des Arbeitskolbens 5 ein den Solldruck untersteigender Druck im betroffenen Hydrauliksystem, wie in der Fig. 2 bei A₁ angedeutet ist. Der die Auswerteeinrichtung 26 bildende Rechner ist so ausgebildet und eingerichtet, dass er die gemessenen Druckwerte mit einem jeweils zugeordneten Sollwert vergleicht und, sofern eine Abweichung gemäß Fig. 2 festgestellt wird, ein Signal erzeugt, das einen beginnenden Kolbenfresser signalisiert, so dass rechtzeitig entsprechende Gegen- bzw. Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden können, z. B. die Motorleistung reduziert oder der Motor abgeschaltet werden kann. Auch die Auslösung eines Alarmsignals kann vorgesehen sein.

Im Falle einer Undichtheit eines Hydrauliksystems oder des Brennraums 6 ergeben sich Leckverluste von Hydraulikflüssigkeit bzw. Verbrennungsgas. Derartige Leckverluste führen dazu, dass der aktuelle Druck im betroffenen Hydrauliksystem beim Kompressionshub und bei Expansionshub des Arbeitskolbens 5 kleiner als ein zugeordneter Solldruck ist, wie in der Fig. 3 bei A₂ angedeutet ist. Der Rechner 26 ist daher auch so ausgebildet und eingerichtet, dass er, sofern eine Abweichung des gemessenen Drucks vom Sollwert wie aus Fig. 3 entnehmbar festgestellt wird, ein Signal erzeugt, das einen Leckverlust genannter Art signalisiert und die rechtzeitige Einleitung entsprechender Maßnahmen ermöglicht.

Im Falle einer abnormalen Verbrennung im Brennraum 6 weicht der gemessene Druck in beiden Hydrauliksystemen vom zugeordneten Sollwert nur beim Expansionshub des Arbeitskolbens ab, wie in Fig. 4 bei A₃ angedeutet ist. Dabei kann eine Abweichung nach oben oder unten vorliegen. Der Fig. 4 liegt ein Fall mit einer Abweichung nach unten zu Grunde. Der Rechner 26 ist daher auch so ausgebildet und eingerichtet, dass er eine Abweichung der aus Fig. 4 entnehmbaren Art erkennt und, sofern eine derartige Abweichung auftritt ein Signal erzeugt, das eine abnormale Verbrennung signalisiert und die rechtzeitige Einleitung von Gegenmaßnahmen ermöglicht.

Als Solldruckverlauf kann ein im Rechner 26 abgelegter, theoretisch oder durch Versuche ermittelter Druckverlauf dienen. Bei Motoren mit einer größeren Anzahl von Arbeitskolben bzw. Hydrauliksystemen kann als Solldruckverlauf auch der Mittelwert aller gemessenen Druckverläufe dienen.

Vor der Auslösung von Alarm etc. findet zweckmäßig eine Kontrolle statt. Der Rechner 26 ist daher zweckmäßig auch so eingerichtet und ausgebildet, dass er im Falle der Feststellung eines Druckverlaufs oben erwähnter Art eine Kontrolle durchführt und erst wenn diese die dem festgestellten Druckverlauf zugeordnete Störung bestätigt ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt.

Bei einer Abweichung gemäß Fig. 2 können zur Kontrolle die Druckverläufe in den einander benachbarten, zum selben Motoraggregat gehörenden Hydrauliksystemen, d. h. bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 im linken und rechten Hydrauliksystem verglichen werden. Dabei muß sich eine ähnliche Abweichung wie in Fig. 2 dargestellt ergeben. Außerdem kann die Leistung verglichen werden. Die betroffene Seite erzeugt weniger Leistung. Sofern die genannten Kontrollen die aus dem gemessenen Druckverlauf abgeleitete Vermutung bestätigen, wird ein Ausgangssignal abgegeben. Bei einer Abweichung gemäß Fig. 3 kann eine Kontrolle durch Betrachtung der Leistung erfolgen. Der betroffene Zylinder erzeugt gegebenenfalls weniger Leistung als die übrigen Zylinder. Bei einer Abweichung gemäß Fig. 4 kann eine Kontrolle durch Betrachtung der Leistung und/oder der Abgastemperatur erfolgen. In jedem Fall gilt, dass ein Ausgangssignal erst abgegeben wird, wenn die aus dem gemessenen Druckverlauf abgeleitete Vermutung bestätigt ist.

Das jeweilige Ausgangssignal steht an einem den genannten Betriegbsstörungen jeweils zugeordneten Ausgang 38 des Rechners 26 an. Dabei kann für jede Art von Störungen ein eigener Ausgang vorgesehen sein. Im dargestellten Beispiel ist zur Vereinfachung ein allen Störungen oben genannter Art gemeinsam zugeordneter Ausgang 38 vorgesehen. Das am Ausgang 38 anstehende Signal kann ebenfalls der Anzeigeeinrichtung 37 zugeführt werden, wie durch die Signalleitung 39 angedeutet ist. Im dargestellten Beispiel ist auch eine Alarmeinrichtung 40 vorgesehen, die aktiviert wird, wenn am Ausgang 38 ein entsprechendes Signal ansteht, wie durch die Signalleitung 41 angedeutet ist. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, weitere Maßnahmen einzuleiten, beispielsweise die Motorleistung abzusenken oder den Motor abzuschalten, wie durch die Signalleitung 42 angedeutet ist.

Der der Zeichnung zugrundeliegende Schnitt lässt ein Aggregat mit zwei gegenläufigen Arbeitskolben 5 und einer zugeordneten Nockenscheibe 3 erkennen. Zur Bildung eines Motors können zweckmäßig mehrere derartige Aggregate hintereinander angeordnet sein. Die Welle 2 geht dabei über alle Aggregate durch. Um je nach Leistungsbedarf alle oder nur ausgewählte Aggregate aktivieren bzw. passivieren bzw. beschädigte Aggregate stillsetzen zu können, können die Anlaufelemente 13 einfach von der zugeordneten Nockenscheibe 3 abgehoben werden. Die Anlaufelemente 13 bzw. die diesen jeweils zugeordnete, die Tragorgane 14 etc. umfassende Baugruppe können hierzu einfach entsprechend verschiebbar oder schwenkbar angeordnet sein. Bei Verwendung kuppelbarer Nockenscheiben 3 können diese zum genannten Zweck einfach wahlweise von der durchgehenden Welle 2 abgekuppelt werden.

Der die Auswerteeinrichtung 26 bildende Rechner kann dabei zweckmäßig so ausgebildet sein, dass für jedes jeweils zwei Arbeitskolben 5 mit zugeordneter Nockenscheibe 3 enthaltende Aggregat zwei Druck-Eingänge 27 vorgesehen sind. Da alle Nockenscheiben 3 synchron rotieren, genügt es, die Drehstellung der Welle 2 bzw. einer Nockenscheibe 3 nur einmal abzutasten. Der entsprechende Wert kann durch den Rechner in die Position der zweiten Hydraulikkolben aller Aggregate bzw. das Volumen der jeweils verdrängten Hydraulikflüssigkeit umgerechnet werden.

Vorstehend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Zweitakt-Dieselmotors näher erläutert, ohne dass jedoch hiermit eine Beschränkung verbunden sein soll. So wäre es beispielsweise auch möglich, die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine als Kompressor auszubilden. In diesem Fall müsste die Welle 2 angetrieben werden. Der Zylinder 4 wäre mit zweckkmäßig mittig positionierten Ein- und Auslaßventilen zu versehen.

Außerdem sollte dabei zur Vermeidung von Vakuum in den Hydrauliksystemen den Arbeitskolben 5 eine Rückführanordnung zugeordnet sein, die die Arbeitskolben 5 beim Saughub mit Kraft beaufschlagt. Dasselbe gilt auch, wenn anstelle der dargestellten Zweitaktbauweise eine Viertaktbauweise vorgesehen wird. Zur Bildung der Rückführeinrichtung kann eine Federanordnung etc. vorgesehen sein. Es wäre aber auch denkbar bereits vorgespannte Luft anzusaugen.

Claims (20)

1. Verfahren zur Überwachung einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei dem zumindest ein Druck gemessen und überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem in einem zugeordneten Zylinder (4) angeordneten Arbeitskolben (5), der über ein eine verschiebbare Flüssigkeitssäule enthaltendes Hydrauliksystem mit einem rotierbaren Organ (3) zusammenwirkt, zumindest der Druck in jeder Flüssigkeitssäule laufend gemessen und überwacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsdruck in Abhängigkeit vom Maschinentakt überwacht wird, der durch Abtasten der Winkelstellung des rotierbaren Organs (3) ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte des Drucks laufend mit zugeordneten Sollwerten verglichen werden und dass aus der Art der Abweichung auf dieser zugeordnete Abnormalitäten geschlossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf des Drucks im Hydrauliksystem mit einem gegenüber einem Sollwert erhöhtem Druck während des Kompressionshubes und reduziertem Druck während des Expansionshubes des Arbeitskolbens (5) als Beginn eines Kolbenfressers des Arbeitskolbens (5) und/oder des ersten Hydraulikkolbens (8) interpretiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf des Drucks im Hydrauliksystem mit einem gegenüber einem Sollwert reduzierten Druck während des Kompressions- und Expansionshubes des Arbeitskolbens (5) als Leckverlust von Hydraulikflüssigkeit und/oder Verbrennungsgas interpretiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf des Drucks im Hydrauliksystem mit einem während des Kompressionshubes des Arbeitskolbens (5) mit einem Sollwert übereinstimmenden Druck und mit einem während des Expansionshubes des Arbeitskolbens (5) von einem Sollwert abweichenden Druck als abnormale Verbrennung interpretiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Sollwerts ein Mittelwert des Drucks in allen überwachten Hydrauliksystemen ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer für eine bestimmte Abnormalität charakteristischen Abweichung des Druckverlaufs ein Kontrollvorgang stattfindet und nur wenn dieser die Vermutung bestätigt, eine Meldung erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Hubkolbenmaschine mit wenigstens zwei in einem gemein­ samen Zylinder (4) angeordneten, gegenläufigen Arbeitskolben (5), die über voneinander getrennte Hydrauliksysteme mit einem rotierbarem Organ (3) zusammenwirken, die Drücke der beiden Hydrauliksysteme zur Feststellung des Beginns eines Kolbenfressers miteinander verglichen werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten von Druck und Winkelstellung des rotierbaren Organs (3) laufend die effektive Leistung ermittelt wird.

11. Hubkolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit wenigstens einem in einem zugeordneten Zylinder (4) angeordneten Arbeitskolben (5), der über ein eine verschiebbare Flüssigkeitssäule enthaltendes Hydrauliksystem mit einem rotierbaren Organ (3) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinrichtung (25) vorgesehen ist, die zumindest im Bereich jedes Hydrauliksystems wenigstens einen diesem zugeordneten Drucksensor (28) und eine mit den von allen Drucksensoren (28) auf­ genommenen Messwerten beaufschlagbare Auswerteeinrichtung (26) enthält.

12. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 11, wobei die Flüssigkeitssäule durch einen an den Arbeitskolben (5) angehängten, ersten Hydraulikkolben (8), der in einem zugeordneten, ersten Hydraulikzylinder (9) angeordnet ist, und einen mit dem rotierbaren Organ (3) zusammenwirkenden, zweiten Hydraulikkolben (12) begrenzt ist, der in einem zweiten Hydraulikzylinder (11) angeordnet ist, der mit dem ersten Hydraulikzylinder (9) durch eine Hydraulikleitung (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (28) im Bereich des zweiten Hydraulikzylinders (11) vorgesehen ist.

13. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine an die Auswerteeinrichtung (26) angeschlossene, die Drehstellung des rotierbaren Organs (3) aufnehmende Winkelmesseinrichtung (31) vorgesehen ist.

14. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmesseinrichtung (31) dem rotierbaren Organ (3) direkt zugeordnet ist.

15. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmesseinrichtung (31) wenigstens einen induktiven Sensor (32) aufweist.

16. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (26) als Rechner ausgebildet ist, der wenigstens einen Eingang (27) für ein dem Druck zugeordnetes Signal und wenigstens einen einer Betriebsabnormalität zugeordneten, beim Vorliegen des dieser zugeordneten Druckbilds aktivierten Ausgang (38) aufweist und der vorzugsweise wenigstens einen weiteren Eingang (29) für ein der Drehstellung des rotierbaren Organs (3) zugeordnetes Signal und einen der Leistung zugeordneten Ausgang (34) enthält.

17. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im die Auswerteeinrichtung (26) bildenden Rechner eine Sollwertliste für den Druck im Hydrauliksystem abgelegt ist und dass der Rechner so ausgebildet ist, dass jeder Druck-Messwert mit dem zugeordneten Sollwert verglichen und im Falle einer unzulässigen Abweichung ein für die zugeordnete Betriebsabnormalität vorgesehenes, am Ausgang (38) anstehendes Signal erzeugt wird.

18. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18 mit wenigstens zwei in einem gemeinsamen Zylinder (4) angeordneten, gegenläufigen Arbeitskolben (5), die jeweils über ein eine verschiebbare Flüssigkeitssäule enthaltendes Hydrauliksystem mit dem rotierbaren Organ (3) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass der die Auswerteeinrichtung (26) bildende Rechner die in den beiden Hydrauliksystemen gemessenen Drücke miteinander vergleicht und im Falle einer unzulässigen Abweichung ein für einen bevorstehenden Kolbenfresser vorgesehenes, am Ausgang (38) anstehendes Signal erzeugt.

19. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der die Auswerteeinrichtung (26) bildende Rechner aus den eingehenden Messwerten für den Druck und die Winkelstellung des rotierbaren Organs (3) die effektive Leistung berechnet.

20. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung (26) eine Anzeige­ einrichtung (37) und/oder eine Alarmeinrichtung (40) zugeordnet ist.