DE112016002938T5

DE112016002938T5 - Systeme und Verfahren zur Detektion von Motorkomponentenzuständen mittels externer Sensoren

Info

Publication number: DE112016002938T5
Application number: DE112016002938.1T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Jacob Bizub
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Al Alpine Us Bidco Inc Wilmington Us
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2018-03-29
Also published as: CN107810318A; US9784635B2; WO2017003838A1; US20160377500A1; CN107810318B

Abstract

Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren enthält das Empfangen einer Mehrzahl von ein Motorgeräusch beschreibenden Signalen, die mittels einer Mehrzahl von Geräuschsensoren übermittelt werden, wobei die Geräuschsensoren in einem Gitter um den Motor angeordnet sind. Das Verfahren enthält außerdem das Empfangen ein Motorgeräusch beschreibendes Klopfsensorsignals, das mittels eines Klopfsensors übermittelt wird. Das Verfahren enthält zusätzlich das Ableiten eines Verbrennungsereignisses basierend auf dem Klopfsensorsignal und das Ableiten eines Motorzustands basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis. Das Verfahren enthält auch das Kommunizieren des Motorzustands.

Description

HINTERGRUND
Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich auf externe Sensoren und genauer auf externe Sensorsysteme und Verfahren, die zur Motorkomponentenzustandsdetektion angewandt werden.
Verbrennungsmotoren werden typischerweise einen kohlenhaltigen Brennstoff, wie etwa Erdgas, Benzin, Diesel und dergleichen verbrennen und die damit zusammenhängende Expansion von Gasen mit hoher Temperatur und hohem Druck verwenden, um eine Kraft auf bestimmte Komponenten des Motors auszuüben, z.B. den in einem Zylinder angeordneten Kolben, um die Komponenten über eine Distanz zu bewegen. Jeder Zylinder kann ein oder mehrere Ventile enthalten, die in Korrelation mit der Verbrennung des kohlenhaltigen Brennstoffs öffnen und schließen. Zum Beispiel kann ein Einlassventil einen Oxidanten, wie etwa Luft, in den Zylinder leiten, der dann mit Brennstoff gemischt verbrannt wird. Verbrennungsfluide, z.B. heiße Gase, können dann mittels eines Auslassventils geleitet werden, um den Zylinder zu verlassen. Dementsprechend wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff in eine mechanische Bewegung umgewandelt, die verwendbar ist, um eine Last anzutreiben. Zum Beispiel kann die Last ein Generator sein, der elektrische Leistung erzeugt. Es wäre vorteilhaft, die Detektion von Komponentenzuständen zu verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG
Bestimmte Ausführungsbeispiele, die mit dem Schutzbereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung übereinstimmen, sind nachfolgend zusammengefasst. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu beschränken, sondern diese Ausführungsbeispiele sind vielmehr dazu bestimmt, nur eine kurze Zusammenfassung von mögliche Formen der Erfindung bereitzustellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielfalt von Formen umfassen, die ähnlich oder verschieden sein können von den nachstehend erläuterten Ausführungsbeispielen.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren enthält das Empfangen einer Mehrzahl von Signalen, die charakteristisch sind für ein Motorgeräusch und mittels einer Mehrzahl von Geräuschsensoren übertragen werden, wobei die Geräuschsensoren in einem Netz um den Motor angeordnet sind. Das Verfahren enthält außerdem das Empfangen eines Klopfsensorsignals, das charakteristisch ist für ein Motorgeräusch, das mittels eines Klopfsensors übertragen wird. Das Verfahren enthält zusätzlich das Ableiten eines Verbrennungsereignisses basierend auf dem Klopfsensorsignal und das Ableiten eines Motorzustandes basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis. Das Verfahren enthält auch das Kommunizieren des Motorzustands.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält ein System ein Motorsteuersystem aufweisend einen Prozessor, der dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Signalen zu empfangen, die charakteristisch sind für ein Motorgeräusch, die mittels einer Mehrzahl von Geräuschsensoren übertragen werden, wobei die Geräuschsensoren in einem Netz um den Motor angeordnet sind. Der Prozessor ist außerdem dazu eingerichtet, ein Klopfsignal zu empfangen, das charakteristisch ist für ein Motorgeräusch, das mittels eines Klopfsensors übertragen wird. Der Prozessor ist außerdem dazu eingerichtet, ein Verbrennungsereignis basierend auf dem Klopfsensorsignal abzuleiten und einen Motorzustand basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis abzuleiten. Der Prozessor ist auch dazu eingerichtet, den Motorzustand zu kommunizieren und den Betrieb des Motors zu steuern.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein physisches, nicht transitorisches computerlesbares Medium bereitgestellt, das einen Code speichert. Der Code ist dazu eingerichtet, einen Prozessor zu veranlassen, eine Mehrzahl von Signalen zu empfangen, die charakteristisch sind für ein Motorgeräusch, die mittels einer Mehrzahl von Geräuschsensoren übertragen werden, wobei die Geräuschsensoren in einem Netz um den Motor angeordnet sind. Der Code ist zusätzlich dazu eingerichtet, den Prozessor zu veranlassen, ein Klopfsensorsignal zu empfangen, das charakteristisch ist für ein Motorgeräusch, das mittels eines Klopfsensors übertragen wird. Der Code ist außerdem dazu eingerichtet, den Prozessor zu veranlassen, ein Verbrennungsereignis basierend auf dem Klopfsensorsignal abzuleiten und einen Motorzustand basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis abzuleiten. Der Code ist auch dazu eingerichtet, den Prozessor zu veranlassen, den Motorzustand zu kommunizieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen darstellen, wobei:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines motorangetriebenen Leistungserzeugungssystems und eines externen Netzes von Sensoren in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine Seitenquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kolbenanordnung in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung und einem Bereich des in 1 gezeigten externen Netzes von Sensoren ist;
3 eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten externen Netzes von Sensoren, die einen Motor umgeben, in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
4 ein Ausführungsbeispiel in einer Ansicht ist, die einen durch das externe Netz von Sensoren aus 1 aufgenommenen Geräuschkurvenausdruck in Verbindung mit Abschnitten eines Sub-Netzes des externen Netzes von Sensoren und einer Draufsicht auf einen Motor zeigt; und
5 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens ist, das geeignet ist zum Analysieren von Geräuschdaten, die durch das in 1 gezeigte externe Netz von Sensoren aufgenommen wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein oder mehrere spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. In einem Versuch, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele bereitzustellen, können nicht alle Merkmale einer aktuellen Implementierung in der Beschreibung erläutert werden. Es sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung von irgendeiner solchen aktuellen Implementierung, wie in irgendeinem Ingenieur- oder Designprojekt, vielen implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie etwa die Übereinstimmung mit systembezogenen oder geschäftsbezogenen Bedingungen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte es verstanden werden, dass eine solche Entwicklungsanstrengung komplex und zeitraubend sein kann, aber nichtsdestotrotz eine Routineunternehmung der Ausgestaltung, Fabrikation und Herstellung für Fachleute auf dem Gebiet sein würde, die den Nutzen dieser Offenbarung haben.
Wenn Elemente von verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sind die Artikel „ein/eine/einer“, „der/die/das“ und „dieser/diese/dieses“ dazu bestimmt, das ein oder mehrere dieser Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisend“, „enthalten“, und „mit“ sind dazu bestimmt inklusiv zu sein und bedeuten, dass zusätzliche Elemente oder andere als die aufgelisteten Elemente vorhanden sein können.
Die hierin beschriebenen Techniken enthalten Systeme und Verfahren, die ein externes Netz von einer Mehrzahl von Geräuschsensoren verwenden, die eine dynamische Antwort auf eine Vielfalt von Motorkomponenten während des Motorbetriebs detektieren können, um Zustände abzuleiten, die auf die Komponenten bezogen sind. Signale von einem Klopfsensor können mittels sequentieller Verarbeitung mit Signalen von dem externen Netz verwendet werden, um eine Vielfalt von Motorzuständen genauer und effizienter abzuleiten. Zum Beispiel können Klopfsensorsignale in Bezug auf den Start der Verbrennung detektiert werden und nachfolgend (z.B. sequentiell) können Netz-Sensorsignale verarbeitet werden, wie es nachfolgend genauer beschrieben ist, um eine Vielfalt von Motorzuständen abzuleiten mit Bezug zu Komponenten, wie etwa Zylinderkopfkomponenten (z.B. Zylinderkopf und Dichtungen), Zylinderblockkomponenten (z.B. Zylinderblock, Zylinderhülsen), Ventilstrangkomponenten (z.B. Ventile, Ventilsitze, Ventilstößel), Nockenwellen- und Antriebskomponenten (z.B. Nockenwelle, Nockenerhebungen, Steuerriemen/Steuerketten, Spanner), Kolbenkomponenten (z.B. Kolben, Kolbenringe, Pleuel), Kurbelwellenanordnungskomponenten (z.B. Kurbelwelle, Motorlager, Schwungräder), Schaltstrangkomponenten (z.B. Getriebegehäuse, Zahnräder, Ausgangswelle), Turboladerkomponenten, Brennstoffzufuhrkomponenten, Abgaskomponenten, usw.
Anstelle der Verwendung einer bestimmten Technik, wie etwa dem akustischen Strahlformen, können die hierin beschriebenen Techniken nicht ringförmige externe Sensornetze aufweisen im Unterschied zu kreisförmigen akustischen Strahlformungsnetzen. Die hierin offenbarten Techniken können zusätzlich oder alternativ einen Netz-Sensorabstand von Geräuschquellen aufweisen, die näher sind oder weiter weg sind als Sensorabstände, die beim akustischen Strahlformen zu finden sind. Jedoch kann der Sensorabstand von Geräuschquellen irgendeine Abstandsgröße sein, aufweisend Abstände, die beim akustischen Strahlformen verwendet werden. Außerdem kann der Abstand zwischen Sensoren irgendeine Entfernungsgröße aufweisen, wie es genauer nachfolgend beschrieben wird.
Die hierin beschriebenen Techniken können außerdem die Verwendung von transienten Zuständen umfassen, in denen ein Motorsteuersystem (z.B. Motorsteuereinheit [ECU]) bestimmte Motorbetriebseigenschaften einstellt, wie etwa die Rampenraten für die Umdrehungen pro Minute (RPM), die Motorzündzeitpunktsteuerung, die Brennstoffeinspritzwobbelraten, Motorlasten oder eine Kombination davon, um transiente Diagnosezustände des Motors bereitzustellen. Während den transienten Diagnosezuständen, zeichnen fahrzeugseitige Klopfsensoren und Vibrationssensoren Daten in Verbindung mit dem am Netz angeordneten externen Sensoren und/oder Kurbelwellensensoren auf. Die Spektrum- und Zeit-Frequenz-Information kann dann zur Querabstimmung verglichen werden und kann auch verglichen werden mit einer normativen Basislinie (z.B. Normalmotorbetrieb). Dynamische Lasten, Drehzahländerungen, Zeitpunktwobbeln, Luft/Brennstoff-Wobbeln, usw. kann vorteilhafterweise verwendet werden, um bestimmte pendelnde Motorzustände oder Motorfehler zu diagnostizieren, die nicht so einfach detektiert werden können, wenn die Motorbetriebszustände konstant gehalten werden. Einige dieser Zustände können Turboladerzustände, Getriebestrangzustände, Ventilstrangzustände, Verbrennungszylinderausgleichszustände, Zuführleckagen, Abgasleckagen, Brennstoffzuführleckagen (Luft/Brennstoff-Homogenitätszustände), usw. umfassen.
Nunmehr bezugnehmend auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Teils eines motorangetriebenen Leistungserzeugungssystems 10. Wie es detailliert nachfolgend beschrieben ist, enthält das System 10 einen Motor 12 (z.B. einen internen Kolbenverbrennungsmotor) mit einem oder mehreren Brennkammern 14 (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 oder mehr Brennkammern 14). Obwohl 1 einen Verbrennungsmotor 12 zeigt, sollte es verstanden werden, dass irgendeine Kolbeneinrichtung verwendet werden kann. Eine Luftzufuhr 16 ist dazu eingerichtet, einen unter Druck stehenden Oxidanten 18, wie etwa Luft, Sauerstoff, Sauerstoff angereicherte Luft, Sauerstoff reduzierte Luft oder irgendeine Kombination davon für jede Brennkammer 14 bereitzustellen. Die Brennkammer 14 ist auch dazu eingerichtet, einen Brennstoff 20 (z.B. einen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff) von einer Brennstoffzufuhr 22 zu erhalten, und ein Brennstoff-Luft-Gemisch zündet und verbrennt innerhalb jeder Brennkammer 14. Die heißen unter Druck stehenden Verbrennungsgase veranlassen einen Kolben 24 benachbart zu jeder Brennkammer 14 sich linear innerhalb eines Zylinders 26 zu bewegen und den durch die Gase ausgeübten Druck in eine Rotationsbewegung umzuwandeln, die eine Welle 28 veranlasst zu rotieren. Außerdem kann die Welle 28 mit einer Last 30 gekoppelt werden, die mittels der Rotation der Welle 28 angetrieben wird. Zum Beispiel kann die Last 30 irgendeine geeignete Einrichtung sein, die Leistung mittels der Rotationsabgabe des Systems 10 erzeugt, wie etwa ein elektrischer Generator. Zusätzlich, obwohl die nachfolgende Erläuterung sich auf Luft als den Oxidanten 18 bezieht, kann irgendein geeigneter Oxidant mit den offenbarten Ausführungsbeispielen verwendet werden. Gleichermaßen kann der Brennstoff 20 irgendein geeigneter gasförmiger Brennstoff, wie z.B. etwa Erdgas, Erdölbegleitgas, Propan, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas sein.
Das hierin offenbarte System kann zur Verwendung in stationären Anwendungen (z.B. in industriellen Leistungserzeugungsantrieben) oder in mobilen Anwendungen (z.B. in Automobilen oder Luftfahrzeugen) eingerichtet sein. Der Motor 12 kann ein Zweitaktmotor, ein Dreitaktmotor, ein Viertaktmotor, ein Fünftaktmotor oder ein Sechstaktmotor sein. Der Motor 12 kann auch irgendeine Anzahl von Brennkammern 14, Kolben 24 und zugeordneten Zylindern 26 (z.B. 1–24) aufweisen. Zum Beispiel kann das System 10 bei bestimmten Ausführungsbeispielen ein industrieller Großkolbenmotor 12 mit 4, 6, 8, 10, 16, 24 oder mehr Kolben 24 aufweisen, die sich in den Zylindern 26 hin und her bewegen. In einigen dieser Fälle können die Zylinder 26 und/oder die Kolben 24 einen Durchmesser von zwischen ungefähr 13,5–34 Zentimetern (cm) aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Zylinder 26 und/oder die Kolben 24 einen Durchmesser von zwischen ungefähr 10–40 cm, 15–25 cm oder ungefähr 15 cm haben. Das System 10 kann Leistung im Bereich von 10 kW bis 10 MW erzeugen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor 12 mit weniger als ungefähr 1800 Umdrehungen pro Minute (RPM) betrieben werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor 12 mit weniger als ungefähr 2000 RPM, 1900 RPM, 1700 RPM, 1600 RPM, 1500 RPM, 1400 RPM, 1300 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 900 RPM, oder 750 RPM arbeiten. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor 12 zwischen ungefähr 750–2000 RPM, 900–1800 RPM oder 1000–1600 RPM arbeiten. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor bei ungefähr 1800 RPM, 1500 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM oder 900 RPM arbeiten. Beispielhafte Motoren 12 können z.B. Jenbacher-Motoren der General Electric Company (z.B. Jenbacher Typ 2, Typ 3, Typ 4, Typ 6 oder J920 FleXtra) oder Waukesha-Motoren (z.B. Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL) aufweisen.
Das angetriebene Leistungserzeugungssystem 10 kann einen oder mehrere Klopfsensoren 32 aufweisen, die geeignet sind, um ein „Klopfen“ des Motors und/oder andere Laufeigenschaften des Motors 12 zu detektieren. Der Klopfsensor 32 kann irgendein Sensor sein, der dazu eingerichtet ist, Vibrationen zu sensieren, die durch den Motor 12 verursacht werden, wie etwa Vibrationen aufgrund einer Detonation, einer vorzeitigen Einspritzung und/oder Klingeln. Der Klopfsensor 32 ist als kommunikationsverbunden mit einer Steuereinrichtung (z.B. einer Kolbeneinrichtung Steuereinrichtung), Motorsteuereinheit (ECU) 34. Während des Betriebs, werden Signale von den Klopfsensoren 32 an die ECU 34 übertragen, um zu ermitteln, ob Klopfzustände (z.B. Klingeln) oder andere Verhalten vorliegen. Die ECU 34 kann dann bestimmte Parameter des Motors 12 anpassen, um die unerwünschten Zustände zu mildern oder zu vermeiden. Zum Beispiel kann die ECU 34 die Zündzeitpunkte anpassen und/oder den Verstärkungsdruck anpassen, um Klopfen zu vermeiden. Wie es außerdem hierin beschrieben ist, können die Klopfsensoren 32 zusätzlich andere Vibrationen über das Klopfen hinaus detektieren. Obwohl die nachfolgenden Techniken zur Analyse von der Komponentengesundheit in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor erläutert werden, können dieselben Techniken auch auf andere Kolbeneinrichtungen, wie etwa Kompressoren, angewandt werden.
Genauer kann ein externes Sensornetz 35 den Motor 12 umgeben und mit der ECU 34 und/oder einem externen Computersystem 37 kommunikationsverbunden sein. Das externe Computersystem 37 kann einen Laptop, ein Tablet, ein Mobiltelefon, ein Notebook, einen Server, einen Personal Computer, ein Cloud-Rechensystem, usw. aufweisen mit einem Prozessor, der eingerichtet ist zur Ausführung von Computerbefehlen und einem Speicher, der geeignet ist zum Speichern von Computerbefehlen. Gleichermaßen kann der Klopfsensor 32 mit dem externen Computersystem 37 kommunikationsverbunden sein. Im Einsatz können die ECU 34 und/oder das externe Computersystem 37 Daten von den Klopfsensoren 32, dem externen Sensornetz 35 und/oder Kurbelwellenwinkelsensoren (die nachfolgend genauer beschrieben werden) verarbeiten, um eine Vielfalt von Zuständen des Motors 12 abzuleiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die ECU 34 bestimmte Motorbetriebsbedingungen anpassen, wie etwa Rampenraten für die Umdrehungen pro Minute, Zündzeitpunkte für den Motor 12, Brennstoffeinspritzwobbelraten, Lasten des Motors 12 oder eine Kombination davon, um transienten Diagnosezustände des Motors bereitzustellen. Während den transienten Diagnosezuständen können die Klopfsensoren 32 und die an dem Netz 35 angeordneten Sensoren Signale an die ECU 34 und/oder das externe Computersystem 37 übertragen. Die Signale können in Spektrum- und Zeit-Frequenz-Informationen umgewandelt werden, die dann zur Querabstimmung verglichen werden können und auch mit einer normativen Basislinie (z.B. Normalbetrieb des Motors 12) verglichen werden können. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die ECU 34 keine transienten Diagnosezustände bereitstellen, aber Daten von den Klopfsensoren 32 und dem Netz 35 können durch die ECU 34 und/oder das externe Computersystem 37 noch empfangen und verarbeitet werden, um eine Vielfalt von Motorzuständen mittels einer Spektrum- und Zeit-Frequenz-Analyse abzuleiten. Einige dieser Zustände können Turboladerzustände, Getriebestrangzustände, Ventilstrangzustände, Verbrennungszylinderausgleichszustände, Zufuhrleckagen, Abgasleckagen, Brennstoffzufuhrleckagen (Luft/Brennstoff-Homogenitätszustände) usw. umfassen.
Dementsprechend können Zustände für eine Vielfalt von Motorkomponenten 39 abgeleitet werden. Die Motorkomponenten 39 können Komponenten umfassen, wie etwa Zylinderkopfkomponenten (z.B. Zylinderkopf und Dichtungen), Zylinderblockkomponenten (z.B. Zylinderblock, Zylinderbuchsen), Ventilstrangkomponenten (z.B. Ventile, Ventilsitze, Ventilstößel), Nockenwellen- und Antriebskomponenten (z.B. Nockenwelle, Nockenerhebungen, Steuerriemen/Steuerketten, Spanner), Kolbenkomponenten (z.B. Kolben, Kolbenringe, Pleuel), Kurbelwellenanordnungskomponenten (z.B. Kurbelwelle, Motorlager, Schwungräder), Getriebestrangkomponenten (z.B. Getriebegehäuse, Zahnräder, Ausgangswelle), Turboladerkomponenten, Brennstoffzufuhrkomponenten, Abgaskomponenten, usw.
2 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kolbenanordnung 36 mit einem Kolben 24, der innerhalb eines Zylinders 26 (z.B. eines Motorzylinders) des Kolbenmotors 12 angeordnet ist. Der Zylinder 26 hat eine innere Ringwand 38, die eine zylindrische Ausnehmung 40 (z.B. Bohrung) definiert. Der Kolben 24 kann durch eine axiale Achse oder Axialrichtung 42, eine radiale Achse oder Radialrichtung 44 und eine Umfangsachse oder Umfangsrichtung 46 definiert sein. Der Kolben 24 enthält einen oberen Abschnitt 48 (z.B. einen Feuersteg). Der obere Abschnitt 48 blockiert allgemein den Brennstoff 20 und die Luft 18 oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch vom Entweichen aus der Brennkammer 14 während der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 24.
Wie es gezeigt ist, ist der Kolben 24 mittels eines Pleuel 52 und eines Stifts 54 an der Kurbelwelle 50 befestigt. Auch ein Gegengewicht 55 der Kurbelwelle 50 ist gezeigt, das nützlich ist beim Ausgleichen des Gewichts einer Kröpfung. Die Kurbelwelle 50 übersetzt die hin- und hergehende lineare Bewegung des Kolbens 24 in eine Rotationsbewegung. Wenn sich der Kolben 24 bewegt, rotiert die Kurbelwelle 50, um die Last 30 (in 1 gezeigt) anzutreiben, wie es vorstehend erläutert wurde. Wie es gezeigt ist, ist die Brennkammer 14 benachbart zu dem Feuersteg 48 des Kolbens 24 positioniert. Ein Brennstoffinjektor 56 stellt Brennstoff 20 für die Brennkammer 14 bereit und ein Einlassventil 58 steuert die Zufuhr von Luft 18 in die Brennkammer 14. Ein Auslassventil 60 steuert das Abgeben eines Abgases von dem Motor 12. Es sollte jedoch verstanden werden, dass irgendwelche geeignete Elemente und/oder Techniken zum Bereitstellen von Brennstoff 20 und Luft 18 für die Brennkammer 14 und/oder zum Abgeben von Abgas verwendet werden können und bei einigen Ausführungsbeispielen wird keine Brennstoffeinspritzung verwendet. Im Betrieb veranlasst die Verbrennung des Brennstoffs 20 mit der Luft 18 in der Brennkammer 14 den Kolben 24 sich in einer hin- und hergehenden Weise (z.B. zurück und vor) in der Axialrichtung 42 innerhalb der Ausnehmung 40 des Zylinders 26 zu bewegen.
Während des Betriebs, wenn der Kolben 24 am höchsten Punkt in dem Zylinder 26 ist, ist er in einer Position, die oberer Totpunkt (TDC) genannt wird. Wenn der Kolben 24 an seinem untersten Punkt in dem Zylinder 26 ist, ist er in einer Position, die unterer Totpunkt (BDC) genannt wird. Wenn sich der Kolben 24 von oben nach unten oder von unten nach oben bewegt, dreht sich die Kurbelwelle 50 um eine halbe Umdrehung. Jede Bewegung des Kolbens 24 von oben nach unten oder von unten nach oben wird als Takt bezeichnet und Ausführungsbeispiele des Motors 12 können Zweitaktmotoren, Dreitaktmotoren, Viertaktmotoren, Fünftaktmotoren, Sechstaktmotoren oder mehr umfassen.
Während des Betriebs des Motors 12 tritt eine Sequenz aufweisend einen Einlassablauf, einen Kompressionsablauf, einen Leistungserzeugungsablauf und einen Auslassablauf typischerweise auf. Der Einlassablauf ermöglicht ein verbrennbares Gemisch, wie etwa Brennstoff und Luft, in den Zylinder 26 gesaugt zu werden, so dass das Einlassventil 58 offen ist und das Auslassventil 60 geschlossen ist. Der Kompressionsablauf komprimiert das brennbare Gemisch in einen kleineren Raum, so dass sowohl das Einlassventil 58 als auch das Auslassventil 60 geschlossen sind. Der Leistungserzeugungsablauf zündet das komprimierte Brennstoff-Luft-Gemisch, was eine Zündfunkenzündung durch ein Zündkerzensystem und/oder eine Kompressionszündung durch Kompressionswärme umfassen kann. Der resultierende Druck der Verbrennung zwingt den Kolben 24 dann zum BDC. Der Auslassablauf bringt den Kolben 24 typischerweise zurück zum TDC, während das Auslassventil 60 offengehalten wird. Der Auslassablauf stößt somit das verbrauchte Brennstoff-Luft-Gemisch durch das Auslassventil 60 aus. Es ist zu beachten, dass mehr als ein Einlassventil 58 und Auslassventil 60 pro Zylinder 26 verwendet werden kann.
Der Motor 12 kann auch einen Kurbelwellensensor 62, einen oder mehrere Klopfsensoren 32 und eine Motorsteuereinheit (ECU 34) aufweisen, die einen Prozessor 64 und einen Speicher 66 (z.B. ein nicht transitorisches computerlesbares Medium) aufweist. Der Kurbelwellensensor 62 sensiert die Position und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle 50. Daher kann eine Kurbelwinkel- oder Kurbelzeitsteuerinformation abgeleitet werden. Das heißt, die Zeitsteuerung ist häufig in Bezug auf den Winkel der Kurbelwelle 50 ausgedrückt, wenn Verbrennungsmotoren überwacht werden. Zum Beispiel kann ein voller Zyklus eines Viertaktmotors 12 als ein 720°-Zyklus gemessen werden. Der eine oder die mehreren Klopfsensoren 32 können ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor, ein mikroelektromechanischer Systemsensor (MEMS-Sensor), ein Hall-Effekt-Sensor, ein magnetostriktiver Sensor und/oder irgendein anderer Sensor sein, der dazu ausgebildet ist, eine Vibration, eine Beschleunigung, ein Geräusch und/oder eine Bewegung zu sensieren. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Sensor 32 kein Klopfsensor im traditionellen Sinn sein, aber irgendein Sensor, der eine Vibration, einen Druck, eine Beschleunigung, eine Auslenkung oder eine Bewegung sensieren kann.
Ein Paneel oder ein Abschnitt 70 des Netzes 35 mit Sensoren 72 ist auch gezeigt. Die Sensoren 72 können mit der ECU 34 und/oder dem externen Computersystem 37 mittels drahtgebundener oder drahtloser Verbindungen verbunden sein. Zum Beispiel können die Sensoren 72 mit der ECU 34 und/oder dem externen Computersystem 37 mittels Verbindungen einer fahrzeugseitigen Diagnose II (OBD II), Verbindungen eines Controller Area Networks (CAN), IEEE 802.11x, WiFi, Bluetooth, drahtlosen Mesh-Verbindungen, usw. kommunikationsverbunden sein. Die Sensoren 72 können Mikrofone (akustische Mikrofone, MEMS-Mikrofone), Vibrationssensoren, Beschleunigungssensoren und dergleichen aufweisen, die geeignet sind, um Vibrationen über ein Medium, wie etwa Luft, zu detektieren.
Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel enthält das Paneel 70 schallschluckende oder schalldämpfende Schichten 74, 76 und 78. Die schalldämpfenden Schichten 74, 76 und 78 können Echos oder ungewollte Geräuschreflektionen bei Ausführungsbeispielen minimieren oder eliminieren, bei denen der Motor 12 innerhalb eines Behälters angeordnet ist, wie etwa einem umschlossenen Anhänger, wobei das Netz 35 in den Wänden des Anhängers eingebettet ist. Bei dieser Einhausungsausführung würden die Wände der Einhausung aus Paneelen 70 hergestellt, wie es detaillierter nachfolgend mit Bezug auf 3 gezeigt ist. Die Schichten 74, 76 und 78 können Keilschaumakustikschichten, Fiberglasschichten, Steinwolleschichten, poröse und nicht poröse Schichten, Geräuschschluckschichten und allgemeiner zum Schallschutz geeignetes Material aufweisen.
Der Klopfsensor 32 kann in der Lage sein, Motorvibrationen und/oder bestimmte „Signaturen“ zu detektieren, die auf eine Vielfalt von Motorzuständen bezogen sind, auch wenn sie auf dem Äußeren des Zylinders 26 angebracht sind. Der eine oder die mehreren Klopfsensoren 32 können an vielen unterschiedlichen Stellen des Motors 12 angeordnet sein. Zum Beispiel ist in 2 ein Klopfsensor 32 am Kopf des Zylinders 26 gezeigt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere Klopfsensoren 32 an der Seite des Zylinders 26 verwendet werden. Zusätzlich kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einziger Klopfsensor 32 zum Beispiel von einem oder mehreren benachbarten Zylindern 26 gemeinsam genutzt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann jeder Zylinder 26 einen oder mehrere Klopfsensoren 32 auf einer oder beiden Seiten eines Zylinders 26 aufweisen. Der Kurbelwellensensor 62 und der Klopfsensor 32 sind in elektronischer Kommunikationsverbindung mit der Motorsteuereinheit (ECU 34) gezeigt. Die ECU 34 enthält einen Prozessor 64 und einen Speicher 66. Der Speicher 66 kann nicht transitorischen Code oder Computerbefehle speichern, die durch den Prozessor 64 ausgeführt werden können. Die ECU 34 überwacht und steuert den Betrieb des Motors 12, z.B. durch Anpassen des Zündzeitpunkts, die Zeitsteuerung des Ventils 58, 60, durch Anpassen der Zufuhr von Brennstoff und dem Oxidanten (z.B. Luft), usw.
Klopfsensoren 32 werden verwendet, um Motorklopfen zu detektieren. Das Motorklopfen ist die vorzeitige Verbrennung des Brennstoffs außerhalb der umhüllenden der normalen Verbrennung. Bei einigen Fällen kann die ECU 34 versuchen, das Motorklopfen durch Anpassen der Betriebsparameter des Motors zu reduzieren oder zu verhindern, wenn es auftritt. Zum Beispiel kann die ECU 34 das Luft/Brennstoff-Gemisch, den Zündzeitpunkt, den Verstärkerdruck, usw. in einem Versuch anpassen, das Motorklopfen zu reduzieren oder zu vermeiden. Jedoch können die Klopfsensoren auch verwendet werden, um andere Vibrationen in dem Motor zu detektieren, die nicht mit dem Motorklopfen in Zusammenhang stehen.
3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines externen Sensornetzes 35, das den Motor 12 in drei Dimensionen umgibt. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist das externe Sensornetz 35 eine rechteckige Form mit sechs Seiten 100, 102, 104, 106, 108 und 110 auf. Auch veranschaulicht sind die dreidimensionalen (3D) Achsen 111, die eine x-, eine y- und eine z-Achse darstellen. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Seiten 100, 102, 104, 106, 108 und 110 durch die Paneele 70 hergestellt werden, wie es gezeigt ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können nicht die Paneele 70 verwendet werden und stattdessen ein offener rechteckförmiger Rahmen hergestellt aus Rahmenelementen 112 (z.B. rohrförmige Elemente, quadratische Elemente) verwendet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel mit offenem rechteckförmigem Rahmen, können die Sensoren 72 durch Drähte oder Rahmenelemente 112 usw. gestützt werden. Das Ausführungsbeispiel mit offenem rechteckförmigen Rahmen mit dem externen Sensornetz 35 kann vorteilhafterweise Geräuschreflexionen oder Echos reduzieren oder eliminieren, indem es den Geräuschen ermöglicht wird, durch die Zwischenräume zwischen den Rahmenelementen 112 hindurch zu gelangen. In den Ausführungsbeispielen, bei denen eine geschlossene Umgebung gewünscht ist, können die Paneele 70 verwendet werden, um den Motor 12 teilweise oder vollständig einzuhausen. Dementsprechend kann der Motor 12 vor Umweltzuständen, wie etwa Regen, Schnee, Graupel und dergleichen geschützt werden.
Auch dargestellt ist ein Abstand S zwischen den benachbarten Sensoren 72. Der Abstand S kann zwischen 10 mm bis 150 mm, 1 mm bis 20 mm, 0,5 mm bis 1 m, 0,25 mm bis 10 m oder mehr betragen. Bestimmte Ausführungsbeispiele können denselben Abstand S zwischen benachbarten Sensoren 72 aufweisen. Andere Ausführungsbeispiele können unterschiedliche Sensorabstände S zwischen den Sensoren 72 aufweisen, z.B. können Sensoren 72, die näher am Motor 12 sind, geringere Abstände S aufweisen, während Sensoren 72, die weiter von dem Motor 12 entfernt sind, größere Abstände S aufweisen können. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine gleiche Anzahl von Sensoren 72 in jeder der Seiten 100, 102, 104, 106, 108 und 110 angeordnet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Sensoren 72 variieren, so dass die Seiten 100, 102, 104, 106, 108 und/oder 110 eine unterschiedliche Anzahl von Sensoren 72 haben können. Bei noch anderen Ausführungsbeispielen können bestimmte der Seiten 100, 102, 104, 106, 108 und 110 weniger oder keine Sensoren 72 aufweisen im Vergleich zu anderen Seiten. Zum Beispiel kann die Seite 110 oder der Boden 110, der den Motor 12 trägt, nur sehr wenige Sensoren 72 oder keine Sensoren 72 aufweisend.
Wie es veranschaulicht ist, kann das externe Sensornetz 35 die Geräuschquelle, z.B. die Quellen in oder um den Motor 12 vollständig umschließen. Tatsächlich kann das externe Sensornetz 35 Sensoren 72 bereitstellen, die in einer Vielfalt von Ebenen um die Geräuschquelle angeordnet sind, einschl. Flächen unterhalb (z.B. Boden) der Geräuschquelle und Ebenen oberhalb (z.B. Decke) der Geräuschquelle. Außerdem ist das externe Sensornetz 35 bei einem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise rechteckförmig konturiert zur einfacheren Herstellung und Anordnung um den Motor 12. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere nicht kreisförmige Formen verwendet werden, umfassend Polyederformen mit vier oder mehr ebenen Flächen (z.B. Pyramide, Dodekaeder, Prismen, Ikosidodekaeder, usw.).
Bei der Verwendung werden die Daten von dem Kopfsensor 32 und den Geräuschsensoren 72 z.B. durch eine zweidimensionale (2D) und/oder dreidimensionale (3D) Geräusch-Spektrum-Analyse verarbeitet, um eine Muster-Spektrum-Darstellung zu erstellen, die in 4 gezeigt ist. Genauer stellt 4 ein Ausführungsbeispiel einer 3D-Geräusch-Spektrum-Darstellung 150 dar, die durch das externe Sensornetz 35 abgeleitet werden kann. Auch ist eine Blockschaltbild-Draufsicht auf den Motor 12 mit 12 Zylindern 26 veranschaulicht, die mit 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172 und 174 bezeichnet sind. Zusätzlich dargestellt ist das externe Sensornetz 35 mit Achsen 111 als eine 3D-Referenz. Wenn der Motor 12 arbeitet, können ein oder mehrere Zylinder 26 Brennstoff verbrennen und die Verbrennung mittels der Kolben 24 in eine mechanische Bewegung umwandeln. Wie es in 4 veranschaulicht ist, kann ein erstes Verbrennungsereignis für den Zylinder 152 zuerst durch das Teilnetz oder den Abschnitt 176 des externen Sensornetzes 35 zum Zeitpunkt T0 erfasst werden. Während sich das Geräusch durch das externe Sensornetz 35 bewegt, kann das Teilnetz oder der Abschnitt 178 des externen Sensornetzes 35 dasselbe erste Verbrennungsereignis zum Zeitpunkt T1 erfassen und das Teilnetz oder der Abschnitt 180 des externen Sensornetzes 35 kann dasselbe erste Verbrennungsereignis zum Zeitpunkt T2 erfassen. Die ECU 34 und/oder das externe Computersystem 37 können die zu den Zeitpunkten T0, T1 und T2 empfangenen Daten dann verarbeiten, um den Graphen 150 abzuleiten. Zum Beispiel kann der Graph 150 eine Zeitachse 182, eine Geräuschfrequenzachse 184 und eine Geräuschamplitudenachse 186 enthalten.
Ein Abschnitt 188 des Graphen 150 kann den Geräuschen des ersten Verbrennungsereignisses entsprechen, die durch den Abschnitt 176 des externen Sensornetzes 35 aufgenommen wurden. Ein Abschnitt 190 des Graphen 150 kann den Geräuschen des ersten Verbrennungsereignisses entsprechen, die durch den Abschnitt 178 des externen Sensornetzes 35 aufgenommen worden. Ein Abschnitt 192 des Graphen 150 kann den Geräuschen des ersten Verbrennungsereignisses entsprechen, die durch den Abschnitt 180 des externen Sensornetzes 35 aufgenommen wurden. Dementsprechend ist die 3D-Spektrum-Darstellung 194 beschreibend für Signale, die von dem Abschnitt 176 des externen Sensornetzes 35 zum Zeitpunkt T0 verarbeitet wurden, die 3D-Spektrum-Darstellung 196 ist beschreibend für Signale, die von dem Abschnitt 178 des externen Sensornetzes 35 zum Zeitpunkt T1 verarbeitet wurden und die 3D-Spektrum-Darstellung 198 ist beschreibend für Signale, die von dem Abschnitt 180 des externen Sensornetzes 35 zum Zeitpunkt T2 verarbeitet wurden.
In einem anderen Beispiel, wenn ein zweites Verbrennungsereignis in dem Zylinder 156 aufgetreten ist, kann der Abschnitt 178 des externen Sensornetzes 35 das zweite Verbrennungsereignis zum Zeitpunkt T0 aufnehmen. Die Abschnitte 176 und 180 des externen Sensornetzes können dann beide das zweite Verbrennungsereignis zum Zeitpunkt T1 aufnehmen, weil das Geräusch sich wahrscheinlich von einem Zentrum des externen Sensornetzes 35 nach außen ausbreitet. Durch das Bereitstellen verschiedener Abschnitte oder Teilnetze des externen Sensornetzes 35 kann eine genauere und feiner abgestimmte Geräuschanalyse bereitgestellt werden. Es ist auch zu beachten, dass während das externe Sensornetz 35 mit drei Abschnitten oder Teilnetzen 176, 178, 180 gezeigt ist, mehr oder weniger Abschnitte oder Teilnetze verwendet werden können. Zum Beispiel kann das externe Sensornetz 35 in 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Teilnetze unterteilt werden. Tatsächlich können bei einem Ausführungsbeispiel so viele Teilnetze vorhanden sein, wie die gesamte Anzahl der Sensoren 72, die in dem externen Sensornetz 35 vorhanden ist, mit einem Teilnetz pro Sensor 72.
Die erfassten Kurvendarstellungen 194, 196 und/oder 198 können analysiert werden, um eine Vielfalt von Motorzuständen zu bestimmen. Zum Beispiel können Basislinienkurvendarstellungen während Normalbetriebszuständen abgeleitet werden und die Basislinienkurvendarstellungen können dann mit den Kurvendarstellungen 194, 196 und/oder 198 verglichen werden, um zu bestimmen, ob Abweichungen auftreten. Zum Beispiel können statistische Techniken, wie etwa eine Standardabweichungsanalyse, eine Hauptkomponentenanalyse, eine multidimensionale Skalierung, eine Datenkorrelationsanalyse (z.B. Pearson-Produkt-Moment-Koeffizient, Rangkorrelationskoeffizient, usw.) und/oder Datenclusteranalyse verwendet werden. Tatsächlich kann irgendeine Anzahl von Techniken verwendet werden, die geeignet ist zum Vergleichen von einem Datensatz mit einem anderen Datensatz. Abweichungen über einen bestimmten Betrag oder Prozentsatz (z.B. zwischen 0,5%–5%, 0,1%–20%, 0,05–30%) können dann abgeleitet werden und die ECU 34 und/oder das externe Computersystem 37 kann dann einen Alarm, eine Warnung erzeugen oder allgemeiner eine Bedienperson informieren, dass ein Zustand vorliegt. Andere Aktionen können Steueraktionen umfassen, die geeignet sind, den Motor 12 zu steuern, z.B. durch Ändern des Zündzeitpunkts, des Brennstoffs, des Abschaltens von Motorbetriebszuständen, usw.
Zusätzlich zur Basislinienerzeugung von Normalbetriebszuständen des Motors 12, kann ein Prüfstandsmotor 12 verwendet werden, der das Erzeugen von einer Vielfalt von Zuständen des Motors 12 ermöglichen kann. Zum Beispiel kann ein Ventil 58, 60 getrennt oder ein Ventilhub (z.B. die Distanz, um die ein Ventil öffnet) variiert werden. Gleichermaßen können Zustände mit Bezug auf Komponenten, wie etwa Zylinderkopfkomponenten (z.B. Zylinderkopf und Dichtungen), Zylinderblockkomponenten (z.B. Zylinderblock, Zylinderbuchsen), Ventilstrangkomponenten (z.B. Ventile, Ventilsitze, Ventilstößel), Nockenwellen- und Antriebskomponenten (z.B. Nockenwelle, Nockenwellenerhebungen, Steuerriemen/Steuerketten, Spanner), Kolbenkomponenten (z.B. Kolben, Kolbenringe, Pleuel), Kurbelwellenanordnungskomponenten (z.B. Kurbelwelle, Motorlager, Schwungräder), Getriebestrangkomponenten (z.B. Getriebegehäuse, Zahnräder, Ausgangswelle), Turboladerkomponenten, Brennstoffzufuhrkomponenten, Abgaskomponenten usw. auf dem Prüfstand erzeugt und Zustandskurvendarstellungen basierend auf dem erzeugten Zustand bzw. den erzeugten Zuständen erfasst werden.
Die Zustandskurvendarstellung(en) kann dann mit den während des Betriebs des Motors 12 beobachteten Kurvendarstellungen, wie etwa den Kurvendarstellungen 194, 196 und/oder 198 verglichen werden, um zu ermitteln, ob bestimmte der Zustände vorhanden sind. Zum Beispiel können die Kurvendarstellungen auf Ähnlichkeit verglichen werden und ähnliche Kurvendarstellungen (z.B. Kurvendarstellungen zwischen 100%–95%, 100%–80%, 95%–50%) können als gleich gekennzeichnet werden. Eine Anzahl von statistischen Techniken, wie etwa eine Standardabweichungsanalyse, eine Hauptkomponentenanalyse, ein mehrdimensionales Skalieren, eine Datenkorrelationsanalyse (z.B. Pearson-Produkt-Moment-Koeffizient, Rangkorrelationskoeffizienten, usw.) und/oder Datenclusteranalyse können verwendet werden, um zu ermitteln, ob die Prüfstandszustände vorhanden sind. Wenn ermittelt wird, dass Zustände vorhanden sind, kann die ECU 34 und/oder das externe Computersystem 37 einen Alarm oder eine Warnung erzeugen oder allgemeiner einer Bedienperson mitteilen, dass ein Zustand vorhanden ist. Andere Aktionen können Steueraktionen beinhalten, die geeignet sind zur Steuerung des Motors 12, z.B. durch das Ändern des Zündzeitpunkts, des Brennstoffs, des Abschaltens von Motorbetriebszuständen, usw. Es ist auch zu beachten, dass die Basislinienanalyse und die Prüfstand-Zustandsanalyse kombiniert werden können, um zu ermitteln, ob Motorzustände während des Betriebs des Motors 12 vorhanden sind.
Es ist zu beachten, dass die Analyse der Daten, die mittels des externen Sensornetzes 35 bereitgestellt wurden, Daten von dem Klopfsensor 32 und/oder dem Kurbelwellensensor 62 beinhalten können. Zum Beispiel kann der Klopfsensor 32 Daten übermitteln, die nützlich sind beim Ableiten, welche der Zylinder 26 (z.B. Zylinder 152–174) zündet und der Kurbelwellensensor 62 kann Motorzeitsteuerinformationen bereitstellen, wie etwa Kurbelwellenwinkelinformationen. Dementsprechend kann ein Verfahren zuerst den Klopfsensor 32 und/oder den Kurbelwellensensor 62 verwenden, um abzuleiten, welche der Zylinder 26 zündet sowie Zeitsteuerinformationen abzuleiten (z.B. Kurbelwellenwinkelinformationen). Daten (z.B. Kurvendarstellungen 194, 196, 198) von dem externen Sensornetz 35 können dann weiter mit dem A-Priori-Wissen analysiert werden, dass ein bestimmter der Zylinder 26 zündet oder gezündet hat und/oder den Zeitsteuerinformationen des Motors 12. Bei einem Ausführungsbeispiel können Daten des Klopfsensors 32 und/oder des Kurbelwellensensors 62 zuerst verarbeitet werden, um den Zylinder 26 zu bestimmen, der zündet und/oder die Zeitsteuerinformationen des Motors 12 zu ermitteln, und dann können Daten von dem externen Sensornetz 35 als zweites verarbeitet werden, um Zustände des Motors 12 zu bestimmen. Die Basislinienerzeugung von Normalbetriebszuständen des Motors 12 (z.B. normative Basislinienerzeugung) und/oder die Prüfstandszustände können die Daten des Klopfsensors 32 und/oder Daten des Kurbelwellensensors 62 beinhalten, um das Detektieren der Zustände des Motors 12 weiter zu verbessern.
5 ist ein Ablaufdiagramm, dass ein Verfahren 200 veranschaulicht, das geeignet ist zum Analysieren von Daten des Motors 12 mittels der Klopfsensoren 32 und/oder des externen Computersystems 37. Das Verfahren 200 kann als Computercode oder als Computerbefehle implementiert werden, die durch den Prozessor 64 ausführbar sind und in dem Speicher 66 und/oder dem externen Computersystem 37 gespeichert sind. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 200 eine Basislinie der Normalbetriebszustände erzeugen (Block 202), um eine oder mehrere Basislinien 204 zu erzeugen. Wie es vorstehend erwähnt ist, können die Basislinien 204 durch das Aufnehmen von Motorbetriebszuständen mittels der Klopfsensoren 32, des Kurbelwellensensors 62 und der Sensoren 72, die in dem externen Sensornetz 35 angeordnet sind, erzeugt werden. 3-D-Spektren, ähnlich zu denen in 4 (z.B. 194, 196, 198) können als Basislinie(n) 204 erzeugt und abgespeichert werden. Das Verfahren 200 kann zusätzlich oder alternativ eine Vielfalt von Zuständen des Motors 12 in einem Prüfstand erzeugen (Block 206) und dann Aufnahmen der Prüfstandzustände 208 aufnehmen. Die Zustände 208 können auch 3D-Spektren ähnlich zu denen in 4 (z.B. 194, 196, 198) enthalten. Die Zustände 208 können mit aktuellen Motorbetriebszuständen verglichen werden (z.B. zustandsbasierte Analyse), um zu ermitteln, ob der Motor 12 aktuell einen oder mehreren der Zustände 208 unterliegt.
Das Verfahren 200 kann dann Betriebszustände des Motors 12 sensieren (Block 210) durch die Verwendung des externen Sensornetzes 35 des Klopfsensors 32 und/oder des externen Computersystems 37. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Sensieren (Block 210) das Sensieren von Betriebsbedingungen mit der Verwendung von transienten Zuständen umfassen, bei denen das Motorsteuersystem (z.B. Motorsteuereinheit [ECU] 34, das externe Computersystem 37) bestimmte Betriebszustände des Motors 12 anpasst, wie etwa die Rampenraten der Umdrehungen pro Minute (RPM), die Motorzündzeitpunkte, die Brennstoffeinspritzwobbelraten, die Motorlasten oder eine Kombination davon, um transiente Diagnosezustände des Motors bereitzustellen während die Betriebsbedingungen sensiert werden (Block 210).
Die Basislinie(n) 204 und/oder der Prüfstandzustand bzw. die Prüfstandzustände 208 können verwendet werden, um aktuelle Betriebsbedingungen des Motors 12 zu vergleichen, um Abweichungen vom Normalbetrieb und/oder das Vorhandensein eines bestimmten Zustands bzw. von bestimmten Zuständen 28 zu ermitteln. Durch das Vergleichen von aktuellen Betriebsbedingungen des Motors 12 mit einer Basislinie bzw. Basislinien 204 und/oder einem Prüfstandzustand bzw. Prüfstandzuständen 208, kann das Verfahren 200 einen bestimmten der Betriebszustände des Motors 12 ableiten (Block 212), wie etwa Zustände bezogen auf Komponenten, wie etwa Zylinderkopfkomponenten (z.B. Zylinderkopf und Dichtungen), Zylinderblockkomponenten (z.B. Zylinderblock, Zylinderbuchsen), Ventilstrangkomponenten (z.B. Ventile, Ventilsitze, Ventilstößel), Nockenwellen- und Antriebskomponenten (z.B. Nockenwelle, Nockenerhebungen, Steuerriemen/Steuerketten, Spanner), Kolbenkomponenten (z.B. Kolben, Kolbenringe, Pleuel), Kurbelwellenanordnungskomponenten (z.B. Kurbelwelle, Motorlager, Schwungräder), Getriebestrangkomponenten (z.B. Getriebegehäuse, Zahnräder, Ausgangswelle), Turboladerkomponenten, Brennstoffzufuhrkomponenten, Abgaskomponenten, usw. Das Verfahren 200 kann dann die abgeleiteten Zustände des Motors 12 kommunizieren. Zum Beispiel kann das Verfahren 200 den einen oder die mehreren Zustände des Motors 12 auf einer Anzeige anzeigen, die mit der ECU 34 kommunikationsverbunden ist, einen Fehlercode setzen (z.B. einen Controller-Area-Network-Code [CAN-Code], einen fahrzeugseitigen Diagnose-II-Code [OBD-II-Code]), einen Alarm oder eine Warnung setzen, usw. Durch das Anwenden der Sensoren 72, die in dem externen Sensornetz 35 angeordnet sind, mit zusätzlichen Sensoren, wie etwa den Klopfsensoren 32 und/oder den Kurbelwellensensoren 62, können die hierin beschriebenen Techniken den Betrieb des Motors 12 und die Instandhaltungsabläufe verbessern.
Technische Effekte der Erfindung enthalten das Detektieren von Motorvibrationen mittels bestimmter Sensoren, Sensoren, die in einem externen Sensornetz angeordnet sind, das den Motor umgibt. Signale von einem Klopfsensor können mittels sequentieller Verarbeitung mit Signalen von dem externen Netz verwendet werden, um eine Vielfalt von Motorzuständen genau und effektiv abzuleiten. Transiente Zustände, in denen ein Motorsteuersystem bestimmte Motorbetriebsbedingungen anpasst, wie etwa RPM-Rampenraten, Motorzündzeitpunkte, Brennstoffeinspritzwobbelraten, Motorlasten oder eine Kombination davon, um transiente Diagnosezustände des Motors zu erhalten. Während der transienten Diagnosezustände, zeichnen fahrzeugseitige Klopfsensoren und Vibrationssensoren Daten in Verbindung mit den externen Sensoren, die in dem Netz angeordnet sind, und/oder Kurbelwellensensoren auf. Spektrum- und Zeit-Frequenz-Informationen können dann zur Querabstimmung verglichen werden und können auch mit einer normativen Basislinie (z.B. Normalbetriebsbedingungen) verglichen werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, enthaltend das bevorzugte Ausführungsbeispiel, und auch um irgendeinen Fachmann auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und des Verwendens irgendwelcher Einrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher beinhalteter Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind dazu bestimmt, innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche zu sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht vom Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substantiellen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche aufweisen.

Claims

Verfahren aufweisend: Empfangen einer Mehrzahl von Signalen, die mittels einer Mehrzahl von für ein Motorgeräusch beschreibenden Signalen, die mittels einer Mehrzahl von Geräuschsensoren übermittelt werden, wobei die Geräuschsensoren in einem Netz um den Motor angeordnet sind; Empfangen eines für ein Motorgeräusch beschreibenden Klopfsensorsignals, das mittels eines Klopfsensors übermittelt wird; Ableiten eines Verbrennungsereignisses basierend auf dem Klopfsensorssignal; Ableiten eines Motorzustands basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis; und Kommunizieren des Motorzustands.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ableiten des Motorzustands basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis ein sequentielles Verarbeiten von Daten umfasst, so dass das Klopfsensorsignal zu einem ersten Zeitpunkt verarbeitet wird und die Mehrzahl von Signalen zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Empfangen eines Kurbelwinkelsignals, das beschreibend ist für eine Position einer Kurbelwelle und wobei das Ableiten des Motorzustandes das Ableiten des Motorzustandes basierend auf der Mehrzahl von Signalen, dem Verbrennungsereignis und der Position der Kurbelwelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Netz ein nicht kreisförmiges Netz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ableiten des Motorzustandes basierend auf der Mehrzahl von Signalen das Anwenden einer dreidimensionalen (3D) spektrographischen Analyse auf die Mehrzahl von Signalen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Anwenden der 3Dspektrographischen Analyse das Unterteilen der Daten, die von der Mehrzahl von Geräuschsensoren empfangen wurden, in eine Mehrzahl von Teilnetz-Datenabschnitten mittels einer Zeitdimension umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jeder der Teilnetz-Datenabschnitte ein Geräusch entsprechend einem Zylinderverbrennungsereignis umfasst, das zu fortschreitenden Zeitpunkten empfangen wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ableiten des Motorzustandes das Anwenden einer normativen Basislinien-Analyse auf die Mehrzahl von Signalen, das Anwenden einer zustandsbasierten Analyse auf die Mehrzahl von Signalen oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ableiten des Motorzustands das Betreiben des Motors in einem transienten Zustand und das Beobachten der transienten Zustandsbedingungen mittels der Mehrzahl von Geräuschsensoren umfasst.
System aufweisend: ein Motorsteuersystem aufweisend einen Prozessor, der eingerichtet ist zum: Empfangen einer Mehrzahl von ein Motorgeräusch beschreibenden Signalen, die mittels einer Mehrzahl von Geräuschsensoren übertragen werden, wobei die Geräuschsensoren in einem Netz um den Motor angeordnet sind; Empfangen eines ein Motorgeräusch beschreibenden Klopfsensorsignals, das mittels eines Klopfsensors übertragen wird; Ableiten eines Verbrennungsereignisses basierend auf dem Klopfsensorsignal; Ableiten eines Motorzustandes basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis; Kommunizieren des Motorzustands; und Steuern des Betriebs des Motors.
System nach Anspruch 10, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Motors in einem transienten Zustand zu steuern, um transiente Zustandsdaten für die Mehrzahl von Geräuschsensoren bereitzustellen.
System nach Anspruch 11, wobei der transiente Zustand das Anwenden einer RPM-Rampenrate, eine Änderung des Motorzündzeitpunktablaufs, eine Brennstoffeinspritzwobbelrate, eine Motorlaständerung oder eine Kombination davon umfasst.
System nach Anspruch 10, wobei das Korrelieren des Motorzustandes mit dem Signal das Verifizieren umfasst, dass die Komponente während des Motorbetriebs in einer zweiten Position war durch Abfragen der Nachschlagetabelle.
System nach Anspruch 10, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, ein Kurbelwinkelsignal zu empfangen, das beschreibend ist für eine Position einer Kurbelwelle und wobei das Ableiten des Motorzustandes das Ableiten des Motorzustandes basierend auf der Mehrzahl von Signalen, dem Verbrennungsereignis und der Position der Kurbelwelle umfasst.
System nach Anspruch 10, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Motorzustand basierend auf der Mehrzahl von Signalen abzuleiten durch Anwenden einer dreidimensionalen (3D) spektrographischen Analyse auf die Mehrzahl von Signalen.
System nach Anspruch 10, aufweisend das Netz, wobei das Netz ein nicht kreisförmiges Netz aufweist.
Physisches, nicht transitorisches computerlesbares Medium, das Code speichert, der eingerichtet ist, einen Prozessor zu veranlassen zum: Empfangen einer Mehrzahl von ein Motorgeräusch beschreibenden Signalen, die mittels einer Mehrzahl von Geräuschsensoren übermittelt werden, wobei die Geräuschsensoren in einem Netz um den Motor angeordnet sind; Empfangen eines ein Motorgeräusch beschreibenden Klopfsensorsignals, das mittels eines Klopfsensors übermittelt wird; Ableiten eines Verbrennungsereignisses basierend auf dem Klopfsensorsignal; Ableiten eines Motorzustandes basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis; Kommunizieren des Motorzustands.
Physisches, nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 17, wobei der Code, der dazu eingerichtet ist, den Prozessor dazu zu veranlassen, den Motorzustand basierend auf der Mehrzahl von Signalen und dem Verbrennungsereignis abzuleiten, Code aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Prozessor dazu zu veranlassen, die Daten sequentiell zu verarbeiten, so dass das Klopfsensorsignal zu einem ersten Zeitpunkt verarbeitet wird und die Mehrzahl von Signalen zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt verarbeitet wird.
Physisches, nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 17, wobei der Code dazu eingerichtet ist, den Prozessor dazu zu veranlassen, ein Kurbelwinkelsignal zu empfangen, das beschreibend ist für eine Position einer Kurbelwelle, und wobei das Ableiten des Motorzustandes das Ableiten des Motorzustandes basierend auf der Mehrzahl von Signalen, dem Verbrennungsereignis und der Position der Kurbelwelle umfasst.
Physisches, nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 17, wobei der Code, der dazu eingerichtet ist, den Prozessor dazu zu veranlassen, den Motorzustand abzuleiten, Code aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Prozessor dazu zu veranlassen, eine normative Basislinien-Analyse auf die Mehrzahl von Signalen anzuwenden, eine zustandsbasierte Analyse auf die Mehrzahl von Signalen anzuwenden oder eine Kombination davon.