DE1939854A1 - Verfahren zur Feststellung der Undichtheit von Brennraeumen in Kolben-Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

™ ^!Τί 233-14.82DP p.b. 1909

Dlpl.-lng. R. Beetz u.

Dipl.-Ing. Lamprecht ,

München 22, Slelnsdorittr. 10

Polytechna podnik zahranicniho obchodu pro zprostredkovani technicke spoluprace, PRAG (Tschechoslowakei)

Verfahren zur Feststellung der Undichtheit von
Brennräumen in Kolben-Brennkraftmaschinen

Beim Betrieb von Kolben-Brennkraftmaschinen verschlechtert sich die Abdichtung ihrer Brennräume, insbesondere durch allmählichen Verschleiß oder Fressen der Kolbenringe und Abbrand der Ventilsitzflächen. Durch die Verschlechterung der Abdich-, tung sinken die maximalen Verdichtungsdrücke und Temperaturen ab, wodurch der Ablauf des Verbrennungsprozesses, bei Dieselmotoren die Rauchfreiheit, der Verbrauch an Kraftstoff und die AnlaSeigenschaften ungünstig beeinflußt werden.

Zur Messung der Dichtheit von Brennräumen in Kolben-Brennkraftmaschinen werden verschiedene Systeme von Druckmessern
und andere Einrichtungen benutzt, mit deren Hilfe der Stoffverlust jenes Teiles der Arbeitszylinderfüllung gemessen werden kann, der durch die mangelnde Abdichtung der Kolben oder Ventile abströmt. Ein gemeinsamer Nachteil aller dieser Einrichtungen 1st die Notwendigkeit, einige Bestandteile des kontrollierten Motors auszubauen.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil bekannter

Verfahren zu überwinden.

Das Verfahren zur Feststellung der Undichtheit von Brennräumen in Kolben-Brennkraftmaschinen ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Anwachsen des mechanischen Widerstandes beim Durchdrehen des Motors mittels einer äußeren Energiequelle festgestellt wird, wobei das Anwachsen durch die Irreversibilität des Arbeitsprozesses der gasförmigen Zylinderfüllung als Maß der festgestellten Undichtheit gegeben ist.

Der zu prüfende Motor kann mittels eines elektrischen Anlassers durchgedreht werden, der seinen Strom einer Akkumulator-Batterie entnimmt, oder auch durch eine andere äußere elektrische Energiequelle, wobei die mittlere Größe der dem Anlasser zugeführten Leistung und die erreichte mittlere Geschwindigkeit des Durchdrehens gemessen werden, da diese Größen ein Maß der festgestellten Undichtheit darstellen.

Bei der Feststellung der Undichtheit von Dieselmotoren wird der Motor ohne Kraftstoffzufuhr durchgedreht.

Bei der Peststellung der Undichtheit von Ottomotoren wird der Motor mit abgeschalteter Zündung durchgedreht«

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung kann man auch Uhdichtheiten einzelner Brennräurae von Mehrzylindermotoren feststellen, indem der zeitliche Verlauf der zugeführten Leistung oder der Stromaufnahme des elektrischen Anlassers gemessen wird, wobei auf den undichten Brennraum aus der auffallend erniedrigten Amplitude des Verlaufes und der ihr nachfolgenden vergrößerten Amplitude geschlossen wird.

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Der wesentliche Vorteil der Lösung gemäß der Erfindung ist die Möglichkeit, Informationen über die Dichtheit von Brennräumen als einen der Hauptfaktoren bei der Bewertung des technischen Zustandes von Kolben-Brennkraftmaschinen, ohne jeglichen Ausbau von Motorteilen, zu gewinnen, gegebenenfalls auch als Fernmessung und innerhalb weniger Sekunden.

Wird ein undichter Motor durchgedreht, z.B. mittels eines elektrischen Anlassers, so treten im Laufe Jeder Verdichtung Wärmeverluste durch Wärmeübergang an die kalten Wände der Verdichtungsräume, sowie auch Teilverluste der Arbeitsfüllung in den Zylindern durch Undichtigkeit auf.

Infolge dieser Verluste ist die Geschwindigkeit der Druckänderungen im Zylinder beim tatsächlichen Verdichtungshub niedriger als bei idealer verlustfreier Verdichtung.

Beim Expansionshub des durchgedrehten undichten Motors dauern aber die Wärmeverluste und auch die Verluste der Arbeitsfüllung in den Zylindern an und beschleunigen dadurch die Druckerniedrigung im Zylinder. Infolge dieser Verluste ist die Geschwindigkeit der Druckänderungen beim Expansionshub des undichten Motors immer größer als bei idealer verlustfreier Expansion. Daraus ist ersichtlich, daß beim Durchdrehen eines undichten Motors im Verlauf der Expansion ein Zustand eintreten muß, wo der Druck im Zylinder auf den Wert des Atmosphärendruckes absinkt und im weiteren Teil des Expansionshubes, bis zur öffnung der Auslaßventile, im Zylinder sogar ein gewisser Unterdruck auftritt.

Aus diesen Überlegungen geht hervor, daß der Arbeitsprozess im Zylinder nicht umkehrbar ist und die Arbeit beim

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Kompressionshub immer größer als die beim Expansionshub sein muß. Bezeichnet man den Unterschied zwischen der Kompressionsund Expansionsarbeit mit "Irreversibilität" des Arbeltsprozesses* dann läßt sich sagen, daß mit wachsender Undichtheit der Verbrennungsräume auch der Wert der Irreversibilität des Arbeitsprozesses ansteigt.

In der Zeichnung sind einerseits Diagramme abgebildet« mit deren Hilfe Ausftihrungebeispiele des Verfahrens zur Peststellung von Undichtheiten gemäß der Erfindung erläutert sind, und andererseits die Schaltbilder von elektrischen Schaltungen» wie sie bei dem Verfahren benutzt werden. Es zeigen:

Flg. 1 ein abgewickeltes Druckdiagramm eines Dieselmotors mit unterschiedlich dichten Zylindern;

Fig. 2 das Schaltbild einer MeIeinrichtung bei Verwendung eines Anlassers und einer Akkumulatorbatterie zum Durchdrehen des Motors;

Fig. 3 eine ähnliche Schaltung, von der noch eine äußere

elektrische Energiequelle zum Antrieb des Anlassers abgebildet ist;

Fig. 4 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Antriebsleistung des Anlassers und dessen Drehzahl für einen bestimmten Typ der untersuchten Motoren; und

Fig. 5 ein Beispiel des zeitlichen Stromverlaufes beim Durchdrehen eines untersuchten Mehrzylindermotors.

Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis, daß mit wachsender Undichtheit der Brennräume eines Kolbenmotors auch die OrSSe der Irreversibilität des Arbeitsprozesses ansteigt, ist aus dem Verlauf der Verdichtungsdrücke in Fig. 1 ersieht-

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Hch, in welcher als Beispiel ein abgewickeltes Druckdiagramm eines unterschiedlich dichten Dieselmotors vom Verdichtungsverhältnis 15 : 1 gezeigt 1st. Auf der Ordinate sind die absoluten Werte der Zylinderdrücke aufgetragen, auf der Abszisse die Werte der abgewickelten Bahn des KurbelZapfens. Punkte 1 bezeichnen den unteren Totpunkt, ein Funkt 2 den Beginn der Verdichtung im Augenblick der Einlaßventil-SohlieÖung, ein Punkt 3 den oberen Totpunkt und ein Punkt 4 das Ende der Expansion, gegeben duroh das Offnen des Auslaflventlles.

Blne Kurve A bedeutet den idealen verlustlosen Verlauf des Zylinderdruokes, der zum oberen Totpunkt 3 des Kolbens völlig symetrisch ist. Eine Kurve B zeigt den tatsächlichen Druokverlauf im Zylinder eines neuen Motors. Eine Kurve C stellt den tatsächlichen Verlauf des Zylinderdruckes in einem Motor mit starkem Zylinderverschleiß dar und eine Kurve D den Druckverlauf in einem für einen weiteren Betrieb ungeeigneten Motor.

Aus Pig. 1 geht hervor, daß mit wachsender Undichtheit auoh der Wert der Irreversibilität des Arbeitsprozesses ansteigt. Hält man den Wert des Reibungswiderstandes konstant und dreht man den gegebenen Motor mit bestimmten konstanten mittleren Drehzahlen duroh, so erkennt man, daß mit wachsender Undichtheit der Verdiohtungsräume auch der Mittelwert des gesamten Motorwiderstandes gegen das Durchdrehen ansteigt.

Duroh viele Messungen des Erfinders 1st festgestellt worden, daß man für die Bestimmung des Mittelwertes des Gesamtmotorwiderstandes gegen das Durchdrehen zweokmäiigerweise einen elektrischen Anlasser verwendet, der an eine hinreichend starke Gleichstromquelle angeschlossen 1st. Als Oleichstromquelle

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können elektrische Akkumulatoren verwendet werden, und z.B. bei Fahrzeugen, die mit Steckdosen zum Anschluß an äuflere Stromquellen ausgestattet sind, kann man eine beliebige Gleichstromquelle benutzen, die sich zum Anlassen der Motoren eignet.

Das Anwachsen des gesamten Motorwiderstandes gegen das Durchdrehen mittels eines elektrischen Anlassers infolge der verschlechterten Dichtheit zeigt sich unter sonst gleichen Bedingungen durch eine erhöhte Anlasserleistung bei gleichzeitigem Drehzahlabfall. Weil man die Abtriebsleistung des elektrischen Anlassers nicht direkt messen kann, sieht die Erfindung eine Messung der Leistung der Energiequelle, die der Antriebsleistung des Anlassers proportional ist, und eine Messung der entepreohenden Drehzahl, mit der der Anlasser den Motor durchdreht, vor.

Zur richtigen Messung 1st aber die Benutzung eines geeigneten Verfahrens notwendig, welches den Binflui aller störenden Faktoren ausschließt, die die Meiergebnisse beeinflussen könnten. Dieses Meßverfahren geht z.B. davon aus, dafl die inner vorhandene Komponente des gesamten Motorwiderstandes gegen das Durchdrehen, d.h. der Reibungswiderstand, konstant bleibt. Deshalb ist es nötig, die Messungen bei einer bestimmten ülviskosität durchzuführen, die eine Funktion der oltemperatur ist. Für kleinere Abweichungen von der erforderlichen Temperatur oder Viskosität muß eine Korrektur am gemessenen Wert der Antriebsleistung des Anlassers angebracht werden.

Beim Durchdrehen des Motors mittels eines Anlassers ändern sich im Verlauf einer Umdrehung die momentanen Widerstandswerte

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gegen das Durchdrehen* damit auch die Werte der Winkelgeschwindigkeit der Umdrehung* Zur Bestimmung der Dichtheit eines Mehrzylindermotors-als Maß seinfes Gesamtverschleißes ist es nötig, die Mittelwerte der Drehzahlen und der Antriebsleistung des Anlassers zu messen. Dies läßt sich leicht durch die Benützung von Meßeinrichtungen mit hinreichender Dämpfung erzielen.

Im Schaltbild von Fig. 2 ist eine Meßeinrichtung zur Messung der Betriebsleistung des Anlassers an Kolben-Brennkraftmaschinen schematisch dargestellt» welche mit einem elektrischen Anlasser 5 und einer Akkumulatorbatterie 6 ausgerüstet sind. Der Anlasser wird durch das Einsehalten eines Hauptschalters 7 und eines SohUtzes 8 in Betrieb genommen. Ein Voltmeter 9 und ein Amperemeter 10 sind in Serie zwischen den Anlasser 5 und die Akkumulatorbatterie 6 geschaltet.

Im Schaltbild von Fig. 3 ist eine Meßeinrichtung zur Messung der Betriebsleistung des Anlassers von Kolben-Brennkraftmaschinen gezeigt« die mit einem Anlasser 5* einer Akkumulatorbatterie 6 und einer Steckdose 11 für ein Starten des Anlassers 5 von außen ausgestattet sind, wobei die Steckdose 11 ein Durchdrehen des Motors mittels einer äußeren elektrischen Energiequelle 12 auch dann erlaubt, wenn ein Hauptsohalter f nicht eingeschaltet 1st. Ein Voltmeter 9 und ein Amperemeter 10 befinden eich dann außerhalb und ermöglichen so eine Fernmessung der Antriebsleistung des Anlassers 5«

Die Drehzahlen des durchgedrehten Motors werden auf irgendeine an sich bekannte Art gemessen. Bei Ottomotoren, an welchen beim Durchdrehen zwecks Feststellung der Dichtheit ihrer Verdichtungeräume die Kabel von den Zündkerzen abgenommen werden, kann man vorteilhafterweise die mittlere Motordrehzahl aus der Frequenz der Spannungsimpulse ermitteln.

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Bei Dieselmotoren, sofern sie nicht mit einer Drehzahl-Meßeinrichtung ausgestattet sind, muß ein Ansteck-Drehzahlmesser verwendet oder ein geeignetes Instrument eingebaut werden, welches jede Motorumdrehung durch einen elektrischen Impuls signalisiert.

Zur praktischen Messung an Mehrzylindermotoren kann z.B. als diagnostisches Hilfsmittel ein Schaubild verwendet werden, wie es in Fig. 4 für jeden der zu prüfenden Motorentypen wiedergegeben ist.

In Pig. 4 ist auf der Ordinate die zugeführte Leistung P des Anlassers und auf der Abszisse ein geeignetes Intervall der Drehzahlen η aufgetragen. Die Fläche von FIg, 4 ist von zwei experimentell festgestellten Kurven in drei Gebiete unterteilt. Sin Gebiet £ kennzeichnet den einwandfreien technischen Zustand von neuen Motoren. Ein Gebiet F entspricht einem noch zufriedenstellenden Betriebszustand der Motoren. In einem Gebiet G sind die Motoren in schlechtem technischen Zustand, so daß sie einer Wartung bedürfen.

Das beschriebene Verfahren zur Feststellung der Undichtheit ermöglicht also, durch Fernmessung ohne jeglichen Ausbau von Teilen die gesamte Dichtigkeit von Brennräumen in Mehrzylindermotoren zu bestimmen, und so die Hauptangaben für die Bewertung des Verschleißzustandes der Kolben-Zylinder-Gruppe, gegebenenfalls auch der Ventile, zu gewinnen.

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche zeigten Überraschenderweise, daß der beschriebene Effekt, der hier mit Irreversibilität des Arbeitsprozesses bezeichnet ist, ganz zuverlässig auch die Undichtheit einzelner Zylinder einer Kolben-Brennkraftmaschine zu bestimmen erlaubt.

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Dreht man einen Mehrzylinder-Kolbenmotor durch, so wachsen bei jedem Verdichtungshub die Widerstände gegen das Durohdrehen an, und die Winkelgeschwindigkeit der Motorkurbelwelle fällt ab. Nach Überwindung des oberen Totpunkts wirkt die Arbeitsfüllung im Zylinder auf den Kolben und beschleunigt wieder den Kurbeltrieb, wobei der Gesamtwiderstand gegen das Durchdrehen und damit auch die Strombelastung des elektrischen Anlassers abfällt. Wird der zeitliche Verlauf des Stromes, der vom elektrischen Anlasser gezogen wird, von einem Registrierinstrument erfaßt, dann erhält man, falls alle Verdichtungsräume gleich dicht sind, eine vollkommen regelmäßige Kurve H, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist.

Tritt aber in irgendeinem der Zylinder eine Undichtheit auf, so verringert sich infolge der Irreversibilität des Arbeitsprozesses bei dem undichten Zylinder die Größe der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle, und bei der nachfolgenden Verdichtung muß der Anlasser nicht nur den Widerstand der Verdichtung im nachfolgenden Zylinder überwinden, der Zündfolge entsprechend, sondern noch alle Schub- und Rotationsmassen des durchgedrehten Motors beschleunigen. Diese Erscheinung zeigt sich im zeitlichen Stromverlauf der Anlasserbelastung darin, daß die Amplitude des undichten Zylinders kleiner wird als bei den übrigen Zylindern, wobei der gezogene Strom seinen Höchstwert erst bei den nachfolgenden Verdichtungshüben erreicht, wie eine Kurve K in Pig. 5 aufzeigt.

In Fig. 5 ist auf der Ordinate die Stromstärke I im elektrischen Anlasser und auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Der undichte Zylinder ist mit L bezeichnet*

Auf Orund dieser Erkenntnisse läßt sich leicht und rasch die Und!ohtheit der einzelnen Zylinder dadurch bestimmen, daß .

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man als Amperemeter 10 zur Messung des Stroms der Anlasserbelastung nach Pig. 2 und 3 eine geeignete Registriereinrichtung verwendet, welche mit der Einrichtung zur Bestimmung der Kurbelwellenlage zwecks praktischer Bestimmung der Motorzylinder verbunden ist; ihr sind die einzelnen Amplituden der Kurven nach Fig. 5 zugeordnet.

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Claims (5)

- Il - Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der Undichtheit von Brennräumen in Kolben-Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß das Anwachsen des mechanischen Widerstandes beim Durchdrehen des Motors mittels einer äußeren Energiequelle festgestellt wird, wobei das Anwachsen durch die Irreversibilität des Arbeitsprozesses der gasförmigen Zylinderfüllung als Maß der festgestellten Undichtheit gegeben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu prüfende Motor von einem elektrischen Anlasser (5) durchgedreht wird, der mit Strom von einer Akkumulatorbatterie (6) oder einer anderen äußeren elektrischen Energiequelle (12) versorgt wird, und daß die mittlere Größe der dem Anlasser zugeführten Leistung und die erreichte mittlere Geschwindigkeit des Durchdrehens festgestellt werden, um daraus ein Maß für die Undichtheit zu gewinnen.

5· Verfahren zur Bestimmung der Undichtheit von Brennräumen in Dieselmotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ohne Kraftstoffzufuhr durchgedreht wird.

4. Verfahren zur Bestimmung der Undichtheit von Brennräumen in Ottomotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor bei abgeschalteter Zündeinrichtung durchgedreht

5. Verfahren zur Bestimmung der Undichtheit einzelner Brennräume in Mehrzylinder-Kolben-Brennkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Registriereinrichtung der zeitliche Verlauf der dem elektrischen Anlasser

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zugeführten Leistung oder von dessen Stromaufnahme (I) festgestellt wird« woraus der undichte Brennraum (L) anhand der auffällig erniedrigten Amplitude des Verlaufs und der ihr nachfolgenden erhöhten Amplitude bestimmt wird (Fig. 5)·

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