DE1202530B

DE1202530B - Performance indicator for piston engines

Info

Publication number: DE1202530B
Application number: DEB74295A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Kielgas
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1963-11-16
Filing date: 1963-11-16
Publication date: 1965-10-07
Also published as: GB1083543A; CH415110A; DK114446B

Description

Leistungsindikator für Kolbenmaschinen Die Indizierung der Zylinderleistung einer Kolbenmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, geschieht in bekannter Weise derart, daß der Zylinderdruck auf eine Koordinate und die Kolbenbewegung auf die andere Koordinate eines Kurvenschreibers einwirkt. Die Fläche der während eines Arbeitszyklus des Kolbens gebildeten geschlossenen Kurve stellt das Produkt aus Zylinderdruck und Kolbenweg und damit die pro Zyklus geleistete Energie dar.Performance indicator for piston machines The indexing of the cylinder performance a piston engine, for example a diesel engine, happens in a known manner Way in such a way that the cylinder pressure is on a coordinate and the piston movement the other coordinate of a curve recorder acts. The area of the during a Working cycle of the piston formed closed curve represents the product Cylinder pressure and piston travel and thus the energy produced per cycle.

Diese bekannte Methode der Leistungsindizierung ist umständlich und erfordert eine Reihe von Vorbeitungen. Eine fortlaufende Überwachung der Zylinderleistungen, beispielsweise eines Schiffsdieselmotors, ist mit dieser Anordnung nicht möglich. Es ist weiter bekannt, zur Bestimmung der Zylinderleistung einen elektronischen Druckgeber, beispielsweise einen Piezokristall mit Verstärker, und für die Erfassung der Kolbenbewegung einen mit der Motorwelle gekuppelten Impulsgeber zu verwenden. Die Ausgangsgrößen beider Geber werden mit elektronischen Mitteln multipliziert und so die Zylinderleistung bestimmt. Die Multiplikation geschieht in der Weise, daß die vom Impulsgeber erzeugten Impulse konstanter Breite in ihrer Höhe von der Ausgangsspannung des Meßverstärkers für den Druck gesteuert werden.This well-known method of performance indexing is cumbersome and requires a lot of preparation. Continuous monitoring of the cylinder performance, for example a marine diesel engine is not possible with this arrangement. It is also known to use an electronic one to determine the cylinder output Pressure transmitter, for example a piezo crystal with amplifier, and for the detection to use a pulse generator coupled to the motor shaft for the piston movement. The output values of both encoders are multiplied by electronic means and so determines the cylinder performance. The multiplication is done in the way that the pulses generated by the pulse generator of constant width in height from the Output voltage of the measuring amplifier for the pressure can be controlled.

In einem angeschlossenen Filter wird der zeitliche Mittelwert der Impulsspannungsflächen gebildet.In a connected filter, the mean value over time is the Impulse voltage areas formed.

Durch eine Umschalteinrichtung wird dafür gesorgt, daß die Polarität der Impulse während des Arbeitshubes positiv und während des Kompressionshubes negativ ist. Auch hier ist es nicht möglich, eine rasche Umschaltung der Anordnung auf die einzelnen Zylinder eines Dieselmotors vorzunehmen. Die Impulsgeber müssen außerdem in Anpassung an das jeweils vorliegende Längenverhältnis von Pleuelstange und Kurbelradius gesondert angefertigt werden, was eine vielseitige Verwendbarkeit an verschiedenen Motoren ausschließt. Die Erfindung befaßt sich mit einem Leistungsindikator, der die obengenannten Nachteile nicht aufweist und ohne Anderungen in beliebigen Kolbenmaschinen verwendet werden kann sowie eine laufende Überwachung aller Zylinder eines Motors ermöglicht.A switching device ensures that the polarity the impulses positive during the working stroke and negative during the compression stroke is. Here, too, it is not possible to quickly switch the arrangement to the make individual cylinders of a diesel engine. The pulse generators must also in adaptation to the respective length ratio of connecting rod and crank radius can be made separately, which means that they can be used for various purposes Excludes motors. The invention is concerned with a performance counter that does not have the above-mentioned disadvantages and without changes in any piston engine can be used as well as continuous monitoring of all cylinders of an engine enables.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsindikator für Kolbenmaschinen mit elektronischem Druckmeßgerät, bestehend aus Druckgeber und Verstärker, mit Multiplikator zur Produktbildung der als analoge Spannungen dargestellten Momentanwerte des Zylinderdruckes und der Kolbengeschwindigkeit und besteht darin, daß zur Ermittlung der momentanen Kolbengeschwindigkeit zwei von der Motorwelle angetriebene Tachodynamos vorgesehen sind, von denen die Drehstrom-Ausgangsspannung des einen die doppelte Frequenz derjenigen des anderen aufweist und mittels eines Spannungsteilers entsprechend dem jeweils gegebenen Verhältnis von Pleuelstangenlänge zum Kurbelradius einegestellt wird, und daß beide Tachospannungen durch Reihenschaltung oder mittels eines Summationsverstärkers addiert werden. The invention relates to a performance indicator for piston engines with electronic pressure measuring device, consisting of pressure transmitter and amplifier, with multiplier for the product formation of the instantaneous values of the cylinder pressure shown as analog voltages and the piston speed and consists in that to determine the instantaneous Piston speed provided by two tacho dynamos driven by the motor shaft are from which the three-phase output voltage of the one is twice the frequency of the one of the other and by means of a voltage divider according to the respective given ratio of connecting rod length to crank radius is set, and that both tacho voltages are connected in series or by means of a summation amplifier can be added.

In der Zeichnung ist eine vorzugsweise Ausführung des erfindungsgemäßen Indikators dargestellt. In the drawing is a preferred embodiment of the invention Indicator.

Der Druckgeber 1 formt in bekannter Weise (induktive Geber, Dehnungsmeßstreifengeber, piezoelektrische Geber) den Zylinderdruck in eine seinem Augenblickswert analoge elektrische Größe (z. B. elektrische Spannung, Strom oder Ladung) um. Nach Passieren des Zylinderwahlschalters 17 wird das Ausgangssignal des Druckgebers im Verstärker 2 auf das zur Weiterverarbeitung notwendige Niveau gebracht. The pressure transmitter 1 forms in a known manner (inductive transmitter, strain gauge transmitter, piezoelectric transducers) convert the cylinder pressure into a value analogous to its instantaneous value electrical quantity (e.g. electrical voltage, current or charge). After passing of the cylinder selector switch 17 is the output signal of the pressure transmitter in the amplifier 2 brought to the level necessary for further processing.

Die Kolbengeschwindigkeit läßt sich aus der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle auf Grund der folgenden Beziehung ermitteln: 1 r x r r- W w(sinwt + 2 1 I . sin2a>t, worin x = Kolbengeschwindigkeit, = = Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle, r = Kurbelradius, != Pleuelstangenlänge bedeutet. The piston speed can be determined from the angular speed of the crankshaft based on the following relationship: 1 r x r r- W w (sinwt + 2 1 I. sin2a> t, where x = piston speed, = = angular speed of the motor shaft, r = crank radius,! = connecting rod length means.

Zur Auswertung dieser Beziehung werden gemäß der Erfindung zwei dreiphasige Tachomaschinen 3 und 4 mit konstanter Erregung (Permanentmagnet oder konstante Gleichstromerregung) verwendet, die gemeinsam von der Motorwelle angetrieben werden. To evaluate this relationship, according to the invention, two three-phase Speedometer machines 3 and 4 with constant excitation (permanent magnet or constant DC excitation) used that are driven jointly by the motor shaft.

Der eine Tachodynamo 3 liefert eine Drehstromspannung, die dem ersten Teil der obigen Beziehung m os sin w t) entspricht. Sie besitzt die Polpaarzahl n und wird über ein Getriebe mit dem tJbersetzungsverhältnis ü = -l angetrieben. Die zweite Tachon maschine 4 liefert gemäß der Erfindung eine Drehstromspannung von der doppelten Frequenz derjenigen der ersten Tachomaschine. Diese Spannung entspricht dem zweiten Teil der genannten Beziehung (N () sin 2 m t). Die doppelte Frequenz kann dadurch erreicht werden, daß diese Tachomaschine entweder die Polpaarzahl2n aufweist oder bei Polpaarzahl n über ein weiteres Zusatzgetriebe mit dem Obersetzungsverhältnis in = 2 angetrieben wird. Der Faktor l des zweiten Gliedes der obigen Beziehung, der das jeweils gegebene Verhältnis des Kurbelradius zur Pleuelstangenlänge darstellt, wird gemäß der Erfindung durch Einstellung der Ausgangsspannung der Tachomaschine 4 mit Hilfe des Spannungsteilers 6 berücksichtigt. Durch diese Einstellung kann die Anordnung für beliebige Motorkonstruktionen verwendbar gemacht werden. Die Addition der beiden Drehstromspannungen gemäß dem Klammerausdruck der obigen Beziehung geschieht mit Hilfe eines Summationsverstärkers 5. Der Ausgang dieses Verstärkers ist an eine Meßbuchse geführt, wo die momentane Kolbengeschwindigkeit unmittelbar als analoge Spannung an einem Meßinstrument, beispielsweise einem Oszillographen, abgelesen werden kann. Die Addition beider Tachospannungen kann auch durch Reihenschaltung vorgenommen werden.One speedometer 3 supplies a three-phase voltage, which is the same as the first Part of the above relationship m os sin w t). It has the number of pole pairs n and is driven by a gear with the transmission ratio ü = -l. The second speedometer machine 4 supplies a three-phase voltage according to the invention of twice the frequency of that of the first speedometer machine. This voltage corresponds to the second part of the said relationship (N () sin 2 m t). Double the frequency can be achieved in that this tachometer machine has either the number of pole pairs 2n or, if the number of pole pairs is n, via a further additional gear with the step-up ratio is driven in = 2. The factor l of the second member of the above relationship, which represents the given ratio of the crank radius to the connecting rod length, is according to the invention by adjusting the output voltage of the speedometer machine 4 taken into account with the help of the voltage divider 6. This setting allows the arrangement can be made usable for any engine construction. The addition of the two three-phase voltages occurs according to the expression in brackets of the above relationship with the help of a summing amplifier 5. The output of this amplifier is to a Measuring socket out, where the current piston speed directly as an analog The voltage is read on a measuring instrument, for example an oscilloscope can be. The addition of the two tachometer voltages can also be done by connecting them in series be made.

Um die Ausgangsspannug der beiden Tachodynamos in bezug auf die Phasenlage an den Kurbelwinkel des jeweils zu indizierenden Zylinders anzupassen, sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zwei mehrphasige Schwenktrafos 13 und 14 vorgesehen. Die Ausgangsspannungen dieser Schwenktrafos sind an je einem Pol des Zylinderwahlschalters 17 geführt. Mit Hilfe dieses Wahlschalters 17 wird der an dem jeweils zu indizierenden Zylinder angebrachte Druckgeber und die der Kurbelstellung zugeordnete Phasenlage der Tachospannungen bzw. des Schwenktrafos wahlweise eingeschaltet. Die Schwenktrafos können auch durch Widerstandsketten ersetzt werden. About the output voltage of the two tacho dynamos in relation to the phase position to be adapted to the crank angle of the cylinder to be indexed in accordance with According to a further development of the invention, two polyphase swivel transformers 13 and 14 are provided. The output voltages of these swivel transformers are each at one pole of the cylinder selector switch 17 led. With the help of this selector switch 17 is the one to be indexed Pressure transducers attached to the cylinder and the phase position assigned to the crank position the tacho voltages or the swivel transformer switched on as required. The swivel transformers can also be replaced by resistance chains.

Für die Produktbildung der dem Zylinderdruck und der Kolbengeschwindigkeit analogen Spannungen ist ein an sich bekannter Multiplikator 10 vorgesehen. Die Ausgangsspannung des Multiplikators 10 ist an eine Meßbuchse geführt, an der die momentane Zylinderleistung in Form einer analogen Gleichspannung an einem Meßinstrument abgelesen werden kann. Zur Bestimmung der mittleren Zylinderleistung während eines vollständigen Arbeitszyklus ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein Drehspulinstrument 12 vorgesehen, das über ein Filter 11 an den Ausgang des Multiplikators 10 angeschlossen ist. For the product formation of the cylinder pressure and the piston speed A multiplier 10 known per se is provided for analog voltages. The output voltage of the multiplier 10 is led to a measuring socket on which the current cylinder power can be read in the form of an analog DC voltage on a measuring instrument. To determine the average cylinder output during a complete work cycle a moving coil instrument 12 is provided according to a further development of the invention, which is connected to the output of the multiplier 10 via a filter 11.

Das Filter 11 glättet die innerhalb eines Zyklus auftretenden Schwankungen der Ausgangsspannung des Multiplikators 10 und bildet einen Mittelwert aller Momentanwerte, der der mittleren Zylinderleistung entspricht.The filter 11 smooths the fluctuations occurring within a cycle the output voltage of the multiplier 10 and forms an average of all instantaneous values, which corresponds to the average cylinder power.

Zur Erfassung des im Moment der Zündung auftretenden höchsten Druckes im Zylinder ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein weiteres Dreh- spulinstrument 9 vorgesehen, das über eine Diode 7 und einen Aufladekondensator 8 an den Ausgang des Meßverstärkers 2 angeschlossen ist. Der Kondensator 8 lädt sich auf die höchste Ausgangsspannung auf und liefert somit eine dauernd anstehende Spannung, die dem Höchstwert des Zylinderdruckes, d. h. dem Zünddruck, entspricht. To record the highest pressure occurring at the moment of ignition In the cylinder, according to a development of the invention, another rotary coil instrument 9 is provided, which via a diode 7 and a charging capacitor 8 to the output of the measuring amplifier 2 is connected. The capacitor 8 charges to the highest Output voltage and thus supplies a permanently applied voltage, which the Maximum value of the cylinder pressure, d. H. corresponds to the ignition pressure.

Zur Kontrolle der Motordrehzahl ist schließlich ein Drehspulinstrument 16 vorgesehen, das in bekannter Weise über einen Drehstrombrückengleichrichter 15 an den Ausgang eines der Tachomaschinen, beispielsweise an die Tachomaschine 4, angeschlossen ist. Der Leistungsindikator gemäß der Erfindung erlaubt mit einfachen Mitteln die Indizierung der Zylinderleistung, wobei sowohl die Momentanwerte als auch die Mittelwerte der Zylinderleistung als analoge Gleichspannungen zur Verfügung stehen. Eine Umschaltung der Anordnung auf die einzelnen Zylinder ist ohne weiteres und ohne zeitlichen Verzug möglich, so daß die Betriebsverhältnisse, beispielsweise eines großen Schiffsdieselmotors, fortlaufend überwacht werden können. Weiterhin gestattet die Indikatoranordnung, die unmittelbare Ablesung sowohl des mittleren als auch des Zünddruckes eines jeden Zylinders vorzunehmen. Schließlich ist auch die Drehzahl direkt ablesbar. Die erfindungsgemäße Indikatoranordnung stellt somit eine universell verwendbare Einrichtung zur Überwachung und Betriebskontrolle größerer Dieselmaschinen dar, was insbesondere auf Schiffen von Bedeutung ist. Finally, a moving coil instrument is used to control the engine speed 16 is provided, which in a known manner via a three-phase bridge rectifier 15 to the output of one of the speedometer machines, for example to the speedometer machine 4, connected. The performance indicator according to the invention allows with simple Averages the indexing of the cylinder performance, with both the instantaneous values as the mean values of the cylinder power are also available as analogue DC voltages stand. Switching the arrangement to the individual cylinders is easy and possible without delay, so that the operating conditions, for example of a large marine diesel engine, can be continuously monitored. Farther the indicator arrangement allows immediate reading of both the middle as well as the ignition pressure of each cylinder. Finally is too the speed can be read off directly. The indicator arrangement according to the invention thus represents a universally applicable device for the supervision and operational control of larger Diesel engines represent, which is particularly important on ships.

Claims

Claims: 1. Performance indicator for piston machines with electronic Pressure measuring device, consisting of pressure transmitter and amplifier, with multiplier for product formation the instantaneous values of the cylinder pressure and the Piston speed, d a d u r c h g e - indicates that to determine the instantaneous Piston speed provided by two tacho dynamos driven by the motor shaft are, of which the three-phase output voltage of one is twice the frequency of those of the other and by means of a voltage divider according to the respective given ratio of connecting rod length to crank radius is set, and that both tacho voltages by series connection or by means of a summation amplifier can be added.

2. Indicator according to claim 1, characterized in that for the Phase rotation of the three-phase output voltages of the two tacho dynamos accordingly two swivel transformers or resistance chains as well as one for the respective crank angle Multi-pole selector switch for the selection of the cylinders assigned to the individual cylinders Output voltages of the swing transformers or resistance chains are provided.

3. Indicator according to claim 2, characterized in that for the Display of the average cylinder power a moving coil instrument is provided, which is connected to the output of the multiplier via a filter.

4. Indicator according to claim 3, characterized in that for the Display of the speed a moving coil instrument is provided which connected to one of the tacho dynamos via a three-phase bridge rectifier is.

5. Indicator according to claim 4, characterized in that for the Display of the maximum (Ignition) pressure of the selected cylinder is a moving coil instrument is provided, via a diode and a charging capacitor to the output of the pressure measuring device is connected.