DE19843615C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Diagnose von Verbrennungsantrieben - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Diagnose von VerbrennungsantriebenInfo
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Abstract
Vorrichtung und Verfahren zur Diagnose des Zustands oder Betriebs eines Verbrennungsantriebs mit einem Lufteinlaß- und einem Abgasbereich, gekennzeichnet durch eine Schallanalyseeinheit in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich zur Umwandlung von Schallwellen in Signale, die mindestens ein Maß für die Amplitude der Schallwellen verschiedener Frequenz in dem Lufteinlaß- bzw. Abgasbereich sind, und eine Vergleichseinheit zum Vergleich von Signalen der Schallanalyseeinheit mit Sollsignalen.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Diagnose des
Zustands und des Betriebs von Verbrennungsantrieben.
Verbrennungsantriebe, also Antriebe, die Treibstoff verbrennen um Antriebsenergie zu
gewinnen, wozu vor allem Verbrennungsmotoren (Otto-, Dieselmotor) und Strahltriebwerke
zählen, sind immer wieder, wie jede andere technische Einrichtung auch, von technischen
Fehlfunktionen betroffen. Diese Fehlfunktionen können sich in einem Totalausfall des
Antriebs ebenso äußern, wie in einer wahrnehmbaren oder unmerklichen Störung, etwa
Leistungsabfall, Mehrverbrauch, erhöhtem Verschleiß oder unruhigerem Lauf. Einige dieser
Defekte stellen ein Sicherheitsrisiko dar, andere einen finanziellen Mehraufwand. In jedem
Fall ist es wünschenswert, Fehlfunktionen eines Antriebs möglichst frühzeitig zu erkennen,
sodaß sie berücksichtigt und behoben werden können.
Zur frühzeitigen Erkennung von Defekten werden, insbesondere bei sicherheitsrelevanten
Anwendungen, wie etwa Strahltriebwerken für Flugzeuge, regelmäßige Inspektionsintervalle
festgelegt, deren strikte Einhaltung von Herstellern oder Sicherheitsbehörden gefordert wird.
Da diese Inspektionsintervalle im Zweifel eher kürzer als länger gewählt werden, um Risiken
möglichst auszuschließen, wird eine erhebliche Zahl von Inspektionen ohne direkte Not
wendigkeit durchgeführt. Triebwerksüberholungen werden dagegen bereits, zumindest bei
dafür geeigneten und zugelassenen Triebwerken, nicht mehr nach Betriebszeit, sondern nach
Zustand durchgeführt. Je zuverlässiger die Zustandsanalyse gestaltet werden kann, desto
sicherer kann hier der Zeitpunkt zur Triebwerksüberholung bestimmt werden.
Im Automobilbereich hat das entsprechende Problem zum Beispiel zur Entwicklung von
Serviceintervallanzeigen geführt, die den Fälligkeitstermin des nächsten Services individuell
berechnen und anzeigen. Diese Berechnung wird aufgrund von Daten über die Häufigkeit
bestimmter Betriebszustände, etwa Kaltstarts oder Vollgasfahrten, vorgenommen. Ein
Nachteil derartiger Verfahren ist die fehlende Möglichkeit, den Zustand des Motors direkt zu
erfassen, denn es wird immer von den Betriebsbedingungen auf den Zustand des Triebwerks
geschlossen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deshalb in der Bereitstellung einer Vorrichtung
und eines Verfahrens zur direkten Diagnose des Zustands und Betriebs eines Verbrennungs
antriebs, um Störungen und Defekte möglichst frühzeitig zu erkennen und zu beheben.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Diagnose des Zustands oder Betriebs eines
Verbrennungsantriebs nach dem Hauptanspruch gelöst, wobei der Verbrennungsantrieb einen
Lufteinlaß- und einen Abgasbereich aufweist, wobei weiter in dem Lufteinlaß- und/oder in
dem Abgasbereich eine Schallanalyseeinheit angeordnet ist, die nach ihrer Ausbildung und
Anordnung zur Umwandlung von Schallwellen in Signale, die mindestens ein Maß für die
Amplitude der Schallwellen verschiedener Frequenz in dem Lufteinlaß- bzw. Abgasbereich
sind, und wobei schließlich eine Vergleichseinheit zum Vergleich von Signalen der
Schallanalyseeinheit mit Sollsignalen vorgesehen ist. Die Schallanalyseeinheit, die bei einem
Verbrennungsmotor in dessen Abgaskrümmer angebracht sein kann, besteht beispielsweise
aus einem Mikrofon, einem Schaltelement zur Frequenzanalyse - zum Beispiel eine
Fouriertransformation - und aus einem Schaltelement zur Ermittlung mindestens der
Amplitude von Schallwellen für mehrere verschiedene Frequenzen. Die Schallanalyseeinheit
gibt also Signale aus, die für Schallwellen mehrerer Frequenzen mindestens ein Maß für deren
Amplitude ist. Dabei kann als Maß für die Amplitude auch das Erreichen einer bestimmten
Mindestamplitude dienen. Die Frequenz der betrachteten Schallwellen muß dabei nicht
notwendigerweise genau bestimmt werden. Es genügt, daß eine sinnvolle Differenzierung
zwischen Schallwellen mit unterschiedlicher Frequenz getroffen werden kann, um das
Schallbild bis zu einem praktisch notwendingen Grad aufzuschlüsseln. Dieser Grad kann je
nach Anwendung und je nach Anforderungen an die Genauigkeit der Schallanalyse variieren.
Diese Signale werden in einer Vergleichseinheit mit Sollsignalen verglichen, sodaß
gegebenenfalls Abweichungen festgestellt werden können. Es wird somit ein Ist-Schallbild
mit einem Soll-Schallbild verglichen. Dieser Vergleich erlaubt eine Diagnose des
Verbrennungsantriebs, denn Verbrennungsantriebe haben für verschiedene Betriebszustände
ein jeweils charakteristisches Schallbild. Störungen, zum Beispiel durch Schäden am Antrieb
oder schlechten Treibstoff, verursachen eine Störung dieses Schallbildes. Dabei kann man in
vielen Fällen aus der Art der Störung des Schallbildes auf die Art der Störung schließen.
Dieser Rückschluß auf den Zustand - also die dauerhafte Verfassung - oder auf den Betrieb
bzw. Betriebszustand - also die temporäre Verfassung - des Verbrennungsantriebs erfordert
in vielen Fällen weitere Bearbeitungsschritte, insbesondere weitere Vergleichsschritte. Auch
ohne diese weitere Signalverarbeitung kann aber regelmäßig zumindest die Anwesenheit einer
Störung festgestellt werden.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens eine Schallkompensations
einheit im Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich des Verbrennungsantriebs auf. Die Schall
kompensationseinheit besitzt einen ersten Schallwandler zur Umwandlung von Schallwellen
in Signale, die ein Maß für die Amplitude und Phase von Schallwellen verschiedener
Frequenz sind, und einen zweiten Schallwandler zur Umwandlung der Signale in
Kompensationsschallwellen, die eine Amplitude und Phase aufweisen, sodaß sich die
Schallwellen und die Kompensationsschallwellen wenigstens teilweise auslöschen.
Erfindungsgemäß besitzt natürlich auch diese Vorrichtung eine Vergleichseinheit zum
Vergleich von Signalen des ersten Schallwandlers mit Sollsignalen für den jeweiligen
Zustand bzw. Betrieb des Verbrennungsantriebs. Der erste Schallwandler übernimmt hier die
Funktion der Schallanalyseeinheit. Strahltriebwerke und Verbrennungsmotoren mit
Schallkompensationseinheiten werden in den nicht vorveröffentlichten DE 198 32 963 C1
und DE 198 32 979 C1 offenbart. Dort werden auch bevorzugte Anordnungen der
Schallkompensationseinheiten in Verbrennungsantrieben, sowie Aufbau und Funktion von
Schallkompensationseinheiten im Einzelnen beschrieben. Auf diese Anmeldungen wird
Bezug genommen. Das Ziel derartiger Schallkompensationseinheiten besteht in der
Reduzierung von Schall, insbesondere Abgasschall, von Antrieben durch eine Kompensation
mit gezieltem Kompensationsschall, also eine Auslöschung durch Gegenschall. Die hier
erwähnten Schallkompensationseinheiten weisen einen ersten Schallwandler, zum Beispiel
ein Mikrofon, zur Umwandlung des Schalls in Signale auf die ein Maß für die Amplitude und
die Phase der einfallenden Schallwellen darstellen. Diese Umwandlung schließt regelmäßig
eine Frequenzanalyse ein, beispielsweise eine Fourier-Transformation, um die Amplitude und
Phase pro Schallfrequenz zu bestimmen. Bei Vorliegen eines sehr engen Schallfrequenz
spektrums kann unter Umständen auch auf eine Frequenzanalyse verzichtet werden, und es
können alle auftretenden Frequenzen als eine repräsentative Frequenz betrachtet werden. Die
Schallkompensationseinheit weist außerdem einen zweiten Schallwandler auf, etwa einen
Lautsprecher, zur Umwandlung der erzeugten Signale in Kompensationsschallwellen mit zu
den einfallenden Schallwellen gegenläufiger Phase und etwa gleicher Amplitude, die derart
abgestrahlt werden, daß eine weitgehende Auslöschung des unerwünschten Schalls eintritt.
Erfindungsgemäß können die durch die Schallanalyseeinheit, etwa den ersten Schallwandler
erzeugten Signale, Teile dieser Signale oder aus diesen Signalen abgeleitete Sekundärsignale
zur Diagnose des Zustands eines Antriebs verwendet werden. Zum Beispiel läßt das den
Abgasen eines Verbrennungsmotors aufgeprägte Schallmuster Rückschlüsse auf den Zustand
des Verbrennungsmotors zu, etwa auf nicht exakt schließende Auslaßventile, auf Zylinder, die
trotz aktivierter Zylinderabschaltung in Betrieb sind, oder auf mangelnde Kompression eines
Zylinders. Rückschlüsse wären aber auch auf schlechte Benzinqualität, die zum Klopfen oder
Klingeln des Motors führt, möglich. Auf einen herkömmlichen Klopfsensor, der am
Zylinderblock angebracht ist und den Körperschall des Zylinderblockgehäuses infolge
klopfender Verbrennung registriert, könnte somit verzichtet werden. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung, bei der ein Schallkompensator etwa direkt im Abgasstrom eines
Verbrennungsmotors angebracht ist, bietet dabei den Vorteil einer deutlich feineren und
früheren Analyse des Motorzustands und des Verbrennungsablaufs, als das ein den
Körperschall eines Bauteils analysierender Klopfsensor erreichen kann. Bei einem
Strahltriebwerk können, etwa bei einer Anordnung einer Schallkompensationseinheit im
Einlaufkonus des Triebwerks oder in dessen Abgasbereich, Rückschlüsse auf Verschleiß, auf
Brennraumablagerungen, auf unsaubere Verbrennung infolge minderer Treibstoffqualität,
oder auf mechanische Beschädigungen, etwa infolge Vogelschlags, gezogen werden.
Zur Durchführung der Diagnose werden die in der Schallanalyseeinheit gewonnenen Signale,
Teile dieser Signale oder von diesen Signalen abgeleitete Signale verwendet. Die erhaltenen
Signale enthalten regelmäßig Information über die Frequenz, über die Amplitude und,
vorzugsweise, auch über die Phase mehrerer Schallwellen. Die Diagnose des
Verbrennungsantriebs kann jedoch in einigen Fällen bereits an Hand des Frequenzspektrums
durchgeführt werden, ohne daß es auf die Amplitude und Phase ankommt. In diesen Fällen
wird die Amplitude lediglich einen bestimmten Grenzwert übersteigen müssen, damit die
Analyseeinheit der auftretenden Frequenz eine Folge gibt. Dieser Grenzwert kann auch
einfach durch die Ansprechschwelle der Analyseeinheit bestimmt sein. Wenn dann etwa
Abweichungen von vorbestimmter Größe oder Bedeutung des Ist-Spektrums von dem Soll-
Spektrum auftreten, können daraus die oben genannten Rückschlüsse auf den Zustand oder
Betrieb des Antriebs gezogen werden. Die Soll-Werte werden für verschiedene typische
Betriebzustände, zum Beispiel unterschiedliche Drehzahlen, verschiedene Lastbereiche oder
Betriebstemperaturen vorher ermittelt und in der Vergleichseinheit abgespeichert, sodaß im
täglichen Betrieb für mehrere oder viele Betriebszustände ein Vergleich der Soll-Werte mit
den Ist-Werten gezogen werden kann. Es ist dabei nicht notwendig, daß die volle Information
der Schallkompensationseinheit ausgenutzt wird, daß also beispielsweise ein volles
Frequenzspektrum von Ist-Werten mit den entsprechenden Soll-Werten verglichen wird. Ein
selektiver Vergleich kann durchaus hinreichend sein. Der Vergleich selbst wird regelmäßig in
einem Mikrochip oder Mikrocomputer durchgeführt, der ein Teil der Vergleichseinheit ist.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe
eines Warnsignals bei Auftreten mindestens einer vorherbestimmten Abweichung der Signale
der Schallanalyseeinheit von den Sollsignalen ab. Ein derartiges Warnsignal kann in einer
schlichten Warnung durch eine Warnlampe bestehen oder in der Aufforderung, die Betriebs
bedingungen zu ändern, bei einem Flugzeug-Strahltriebwerk, zum Beispiel, Schub wegzu
nehmen, oder, bei einem Automobil-Verbrennungsmotor, zum Beispiel, auch in einer
Aufforderung zur sofortigen Einstellung des Betriebs. Als Warnsignal im Sinne dieser
Offenbarung gilt aber auch ein Signal, das automatisch eine bestimmte Folge herbeiführt,
etwa eine Lastanpassung, eine Änderung des Zündzeitpunkts, eine Notabschaltung oder eine
Information einer Zentrale per Funk, daß eine bestimmte Fehlfunktion vorliegt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Diagnose
vorrichtung eine Auswahleinheit zur Auswahl von Signalen der Schallanalyseeinheit, die
einem oder mehreren bestimmten Frequenzbereichen entsprechen, zur Durchführung des
Signalvergleichs. Damit wird ein selektiver Vergleich von Frequenzen ermöglicht, der
weniger Rechnerkapazität benötigt und deshalb schneller erfolgen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine
Servicekontrolleinheit zur Berechnung und Anzeige des Fälligkeitstermins des nächsten
Services für den Verbrennungsantrieb aufgrund des Zeitverhaltens von Signalen der
Schallanalyseeinheit im Vergleich zu den Sollsignalen des jeweiligen Betriebszustands auf.
Die Servicekontrolleinheit beobachtet das Zeitverhalten der Ist-Werte von Signalen oder
Teilen davon, etwa der Frequenz, und zieht daraus Schlüsse auf eine demnächst notwendige
Inspektion des Triebwerks. Dies ist möglich, weil bestimmte Frequenzen in dem
Schallspektrum der Abgase eines Triebwerks immer häufiger auftreten, wenn das Triebwerk
reif für eine Inspektion oder Überholung ist. Somit können mit Hilfe der vorliegenden
Erfindung individuelle Inspektionsintervalle realisiert werden, die nicht nur Kosten in
erheblichem Umfang dadurch sparen können, daß die Inspektionsintervalle im Durchschnitt
länger werden, sondern es kann auch ein Zugewinn an Betriebssicherheit dadurch erreicht
werden, daß Inspektionsintervalle tatsächlich abgekürzt werden. Besondere Vorteile sind hier
etwa dann vorstellbar, wenn bei Flugzeugtriebwerken die fällige Inspektion direkt an ein
Verwaltungszentrum gemeldet wird, das das Flugzeug dann beim nächsten Anlaufen eines
Service- oder Stützpunktflughafens unmittelbar zur Inspektion einteilt.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
mindestens ein Körperschallsensor in oder an dem Verbrennungsantrieb, vorzugsweise an
seinem Gehäuse, angeordnet, der der Zuordnung des Ursprungs von Störungen zu einem
bestimmten Abschnitt des Verbrennungsantriebs dient. Wenn, wie oben beschrieben, eine
Störung des Antriebs festgestellt wird, ist es vorteilhaft, die Störungsquelle nach Art und Ort
zu bestimmen. Die Art der Störung kann häufig bereits aus den Ist-Signalen, also dem
erhaltenen Frequenzspektrum erschlossen werden. Aus der Art der Störung kann, falls
bestimmte Störungen ausschließlich in bestimmten Teilen des Verbrennungsantriebs
auftreten, auch auf den Ursprungsort der Störung geschlossen werden, beispielsweise bei
Verdichterinstabilitäten in Strahltriebwerken. Falls dies nicht der Fall ist, kann eine Ortung
des Ursprungs der Störung jedoch nicht erfolgen. Für diese Fälle bietet die vorliegende
Erfindung die Möglichkeit, den Ursprung einer Störung zu lokalisieren, indem am Gehäuse
des Antriebs ein, vorzugsweise mehrere Körperschallsensoren angebracht werden, deren
Ergebnisse miteinander verglichen werden können, sodaß der Ursprung einer Störung geortet
werden kann. Zum Beispiel können derartige Körperschallsensoren am Gehäuse eines
Strahltriebwerks angebracht werden, einer etwa auf Höhe des Vorverdichters, ein weiterer auf
Höhe des Hauptverdichters und noch einer auf Höhe der Turbine. Wenn eine Störung
beispielsweise im Hauptverdichter auftritt, wird der entsprechende Körperschallsensor
regelmäßig die stärkste Veränderung des Schallprofils aufweisen, woraus der Schluß gezogen
werden kann, daß die Quelle der Störung im Hauptverdichter liegt. Entsprechendes gilt bei
Verbrennungsmotoren, wo etwa der Zylinder, der eine Störung aufweist, bestimmt werden
kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine
Einheit zur Synchronisierung von zwei oder mehreren Antrieben auf, wobei diese Einheit die
Signale der Schallanalyseeinheiten der zu synchronisierenden Antriebe vergleicht und danach
Antriebssteuerparameter der Antriebe, etwa die Treibstoffzufuhr, derart verändert, daß sich
die Signale der Schallanalyseeinheiten der verschiedenen Antriebe aneinander annähern. Das
Problem der Synchronisierung von Antrieben tritt beispielsweise bei Flugzeugen auf, wo
Turboprop-Triebwerke oder Strahltriebwerke synchron laufen müssen, um akustische
Störungen, wie Schwebungen oder Wummergeräusche, zu vermeiden. Diese Antriebs
synchronisierung findet heute regelmäßig aufgrund eines Drehzahlvergleichs der Triebwerke
statt. Dieser Drehzahlvergleich ist in der Praxis jedoch mit einer Ungenauigkeit und einer
Zeitverzögerung behaftet, die eine schnelle und effiziente Synchronisierung erschweren. Im
Rahmen der Erfindung ist es möglich, den Betriebszustand der Triebwerke dadurch
miteinander zu vergleichen, daß man die Signale ihrer ersten Schallwandler miteinander
vergleicht und die Triebwerkssteuerparameter so anpaßt, daß sich diese Signale,
beispielsweise die Frequenzspektren, einander annähern. Damit wird eine einfache,
wirkungsvolle und schnelle Triebwerkssynchronisation erreicht.
Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Einheit zur Kontrolle, vorzugsweise
auch zur Kalibrierung, eines Drehzahlmessers für einen Antrieb auf. Herkömmlich basiert die
Ausgabe von Drehzahlmessern auf der Messung der Rotationsfrequenz eines rotierenden
Teils, etwa des Schwungrads oder einer Getriebewelle beim Automotor, oder der zentralen
Antriebswelle bei einem Strahltriebwerk. Diese Messungen beinhalten prinzipbedingt eine
Reihe von Fehlerquellen, die zu Fehlmessungen führen können. Diese Meßfehler können
erfindungsgemäß mit Hilfe einer Kontrolleinheit erkannt und korrigiert werden, die Signale
der Schallanalyseeinheiten des Antriebs mit der unkorrigierten Ausgabe des Drehzahlmessers
vergleicht und diese gegebenenfalls korrigiert. Dieser Vergleich ist möglich, da jede Drehzahl
eines Antriebs einem bestimmten Schallbild dieses Antriebs entspricht. Neben einer Kontrolle
der korrekten Funktion ist auch eine Kalibrierung des Drehzahlmessers unter definierten
Bedingungen der Schallausbreitung möglich. Diese kann in vorgegebenen Zeitabständen oder
auch bei Bedarf erfolgen, also bei Registrierung einer deutlichen Abweichung der Ausgabe
des Drehzahlmessers von der durch Auswertung des Schallbilds ermittelten tatsächlichen
Drehzahl.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Diagnose des Zustands
oder Betriebs eines Verbrennungsantriebs, insbesondere von Verbrennungsmotoren und
Strahltriebwerken, mit einem Lufteinlaß- und einem Abgasbereich bereitgestellt. Dieses
Verfahren weist zunächst den Schritt einer Umwandlung von Schallwellen in Signale auf, die
mindestens ein Maß für die Amplitude der Schallwellen verschiedener Frequenzen in dem
Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich sind. Diese Umwandlung erfolgt in einer Schallanalyse
einheit, die in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich angeordnet ist. Wie bereits oben
beschrieben, geben diese Signale Auskunft über die - exakte oder näherungsweise oder
mindestens vorhandene - Amplitude von Schallwellen verschiedener Frequenzen. Dazu
bedarf es, wie ebenfalls bereits beschrieben, einer Unterscheidung verschiedener Frequenzen,
die mehr oder weniger genau sein kann. Beispielsweise kann eine Fourieranalyse
durchgeführt werden, um das Schallbild in seine Basisschwingungen zu zerlegen, deren
Amplitude dann ermittelt wird. Anschließend werden die so gewonnenen Signale in einer
Vergleichseinheit mit Sollsignalen verglichen. Daraus kann dann eine Diagnose abgeleitet
werden.
Vorzugsweise wird eine Schallkompensationseinheit verwendet, mit mindestens einem ersten
Schallwandler - der als Schallanalyseeinheit fungiert - zur Umwandlung von Schallwellen in
Signale, die ein Maß für die Amplitude und Phase der Schallwellen sind, und einem zweiten
Schallwandler zur Umwandlung der Signale in Kompensationsschallwellen, die eine
Amplitude und Phase aufweisen, sodaß sich die Schallwellen und die Kompensations
schallwellen wenigstens teilweise auslöschen. Erfindungsgemäß werden bei dem
Diagnoseverfahren in einer Vergleichseinheit Signale des ersten Schallwandlers mit
Sollsignalen für den jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungstriebwerks verglichen.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Ausgabeeinheit bei
Auftreten mindestens einer vorherbestimmten Abweichung der Signale der Schallanalyse
einheit von den Sollsignalen ein Warnsignal ausgegeben. Bevorzugt ist auch ein Verfahren,
bei dem in einer Auswahleinheit Signale der Analyseeinheit, die einem oder mehreren
bestimmten Frequenzbereichen entsprechen, ausgewählt werden. Damit kann ein selektiver
Datenvergleich, wie oben beschrieben, vorgenommen werden. Bei einer weiteren
Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fälligkeitstermin des nächsten
Services des Verbrennungsantriebs aufgrund des Zeitverhaltens der Signale der Analyse
einheit im Vergleich zu den Sollsignalen von einer Servicekontrolleinheit berechnet und
angezeigt. Damit sind individuelle Serviceintervalle möglich, die die oben beschriebenen
Vorteile mit sich bringen.
Weiter ist auch ein Verfahren bevorzugt, bei dem der Ursprung von Störungen in dem
Verbrennungsantrieb mit Hilfe mindestens eines Körperschallsensors, der vorzugsweise an
dem Gehäuse des Verbrennungsantriebs angeordnet ist, einem bestimmten Abschnitt des
Verbrennungsantriebs zugeordnet wird.
Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Verfahren zur Diagnose von Verbrennungsantrieben
bereitgestellt, das sich dadurch auszeichnet, daß zwei oder mehrere Verbrennungsantriebe mit
Hilfe eines Vergleichs von Signalen der Schallanalyseeinheiten der Verbrennungsantriebe
miteinander synchronisiert werden können.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß ein Drehzahl
messer für einen Verbrennungsantrieb in seiner Anzeige kontrolliert und, gegebenenfalls,
korrigiert wird, indem das der Anzeige entsprechende charakteristische Schallbild mit dem
Soll-Schallbild für die angezeigte Drehzahl verglichen wird. Vorzugsweise wird der Dreh
zahlmesser in vorgegebenen Abständen durch ein entsprechendes Verfahren auch kalibriert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden
an Hand der beiden Figuren beschrieben, die folgendes zeigen:
Fig. 1: Strahltriebwerk mit erfindungsgemäßer Vorrichtung,
Fig. 2: Verbrennungsmotoren-Abgastrakt mit erfindungsgemäßer Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein Strahltriebwerk 1, in dem zwei Schallkompensationseinheiten 2 und 2'
angebracht sind. Die vordere Schallkompensationseinheit 2 ist in dem Einlaufkonus des
Strahltriebwerks 1 angebracht und besteht im wesentlichen aus einem ersten Schallwandler 3,
hier einem Mikrofon, und einem ringförmigen zweiten Schallwandler 4, hier einem
ringförmigen Lautsprecher, in dessen Mitte der erste Schallwandler angeordnet ist. Die
Einheit 2 ist in einer Höhlung des vorderen Triebwerkskonus 9 eingesetzt, um einerseits vor
direkter Beaufschlagung durch die anströmende Luft geschützt zu sein und um andererseits
definierte Abstrahlungsbedingungen für den Kompensationsschall bereitzustellen. Der Konus
9 mit der Schallkompensationseinheit 2 wird über einen Träger 8, hier ein Dreibein, in dem
Einlaufkonus des Strahltriebwerks 1 gehalten. Von dem ersten Schallwandler 3 werden die
den Schall in dem Einlaufkonus darstellenden Signale einer Vergleichseinheit 5 zugeführt, in
der der oben beschriebene Vergleich der Soll- und Ist-Werte vorgenommen wird. Die Signale
werden hier vor der Vergleichseinheit 5 einer Frequenzanalyseeinheit 6 zugeführt, die die
auch für die Schallkompensation regelmäßig notwendige Frequenzanalyse durchführt. Diese
Frequenzanalyseeinheit 6 ist häufig ein Bestandteil des ersten Schallwandlers 3, wenn dieser
seine, die Amplitude und Phase des einlaufenden Schalls repräsentierenden Signale, nach
einzelnen Frequenzen aufgeschlüsselt abgibt. Anderenfalls, wenn der erste Schallwandler 3
nicht nach Frequenzen oder nur grob nach Frequenzbereichen differenziert, kann es
vorteilhaft sein, die Frequenzanalyse außerhalb des ersten Schallwandlers 3 durchzuführen.
Das Strahltriebwerk nach Fig. 1 weist außerdem eine hintere Schallkompensationseinheit 2'
mit einem ersten Schallwandler 3' und einem zweiten, ringförmigen Schallwandler 4' auf, die
über ein Dreibein 8' mit dem Gehäuse des Strahltriebwerks 1 verbunden ist. Die Signale des
ersten Schallwandlers 3' werden hier in der Frequenzanalyseeinheit 6' analysiert, bevor in der
Vergleichseinheit 5' der erstrebte Vergleich von Ist- und Soll-Werten durchgeführt wird.
In Fig. 1 ist weiterhin eine Einheit 7 zum Vergleich der Output-Signale der Vergleichs
einheiten 5 und 5' gezeigt. In der Einheit 7 werden Abweichungen der Ist-Wert-Signale von
den Soll-Wert-Signalen, die von der vorderen Vergleichseinheit 5 ermittelt wurden, mit den
entsprechenden Abweichungen, die von der hinteren Vergleichseinheit 5' festgestellt wurden,
verglichen, um so eine sicherere und/oder differenziertere Aussage über eine möglicherweise
aufgetretene Störung zu machen. Sowohl die Art der Störung, wie auch der Ursprungsort der
Störung können hiermit besser analysiert werden.
Fig. 1 zeigt ferner, als Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform, drei Körperschall
sensoren 11, 12 und 13, wovon Sensor 11 an dem Außengehäuse 10 des Triebwerks 1 und
Sensoren 12 und 13 an dem Innengehäuse 10' des Triebwerks 1 angebracht sind. Sie sind
derart verteilt und angeordnet, daß sich eine auftretende Störung, die beispielsweise von der
vorderen Vergleichseinheit 5 oder der hinteren Vergleichseinheit 5' diagnostiziert wird, in
vielen Fällen örtlich besser lokalisieren läßt. Denn viele Störungen verursachen neben einem
differenzierten Luftschallspektrum auch Körperschall, der mehr oder weniger charakteristisch
ist, der aber in jedem Fall seinen lokalen Ursprung erkennen läßt. Damit kann eine Störung
sicherer und schneller lokalisiert werden, sodaß etwa zu veranlassende Reparaturmaßnahmen
genauer im Voraus bestimmt werden können. Zu diesem Zweck sind die Sensoren 11, 12 und
13 jeweils an dem Gehäuse 10, 10' angebracht, das den Luftstrom durch das Triebwerk direkt
von der Umgebung oder einem Mantelstrom abschirmt.
Fig. 2 zeigt ein Abgasrohr 14, das einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor nachgeschaltet
ist und einen Katalysator 15, eine Lambdasonde 16 und eine Schallkompensationseinheit 2 mit
einem ersten Schallwandler 3 und einem zweiten Schallwandler 4 aufweist. Die Schall
kompensationseinheit 2 ist über eine Halterung 17 mit dem Gehäuse des Abgasrohrs 14
verbunden. Die Einheit 2 wird über den Stromstecker 19, mit Energie versorgt, über
Datenstecker 18 werden die Signale des ersten Schallwandlers 3 abgerufen und, hier nicht
gezeigt, einer Vergleichseinheit zugeführt, die einen Soll-Ist-Vergleich, wie oben beschrieben,
durchführt.
Die vorliegende Erfindung bietet somit die Möglichkeit einer Zustands- und Betriebsdiagnose
für einen Antrieb auf einfache und kostensparende Weise, wenn dieser Antrieb eine Schall
analyseeinheit, insbesondere eine Schallkompensationseinheit, aufweist, wie sie etwa in den
oben genannten nicht vorveröffentlichten Druckschriften DE 198 32 963 C1 und DE 198 32 979 C1
offenbart sind.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Diagnose des Zustands oder Betriebs eines Verbrennungsan
triebs (1) mit einem Lufteinlaß- und einem Abgasbereich, aufweisend:
eine Schallanalyseeinheit in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich zur Umwandlung von Schallwellen in Signale, die mindestens ein Maß für die Amplitude von Schallwellen verschiedener Frequenz in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich sind, und
eine Vergleichseinheit (5, 5') zum Vergleich von Signalen der Schallanaly seeinheit mit Sollsignalen.
eine Schallanalyseeinheit in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich zur Umwandlung von Schallwellen in Signale, die mindestens ein Maß für die Amplitude von Schallwellen verschiedener Frequenz in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich sind, und
eine Vergleichseinheit (5, 5') zum Vergleich von Signalen der Schallanaly seeinheit mit Sollsignalen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbren
nungsantrieb (1) mindestens eine Schallkompensationseinheit (2, 2') in seinem
Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich aufweist, wobei
die Schallkompensationseinheit (2, 2') mindestens einen ersten Schallwandler
(3, 3') als Schallanalyseeinheit zur Umwandlung von Schallwellen verschie
dener Frequenz in Signale, die ein Maß für die Amplitude und Phase der
Schaltwellen sind, und einen zweiten Schallwandler (4, 4') zur Umwandlung
der Signale in Kompensationsschallwellen, die eine Amplitude und Phase
aufweisen, sodaß sich die Schallwellen und die Kompensationsschallwellen
wenigstens teilweise auslöschen, aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe eines Warnsignals bei Auftreten min
destens einer vorherbestimmten Abweichung von Signalen der Schallanalyse
einheit von Sollsignalen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Auswahleinheit zur Auswahl von Signalen der Schallanalyseein
heit, die einem oder mehreren bestimmten Frequenzbereichen entsprechen, für
den Vergleich in der Vergleichseinheit (5, 5').
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Servicekontrolleinheit zur Berechnung und Anzeige des Fällig
keitstermins des nächsten Services für den Verbrennungsantrieb (1) aufgrund
des Zeitverhaltens von Signalen der Schallanalyseeinheit im Vergleich zu
Sollsignalen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch mindestens einen Körperschallsensor (11, 12, 13) zur Zuordnung des
Ursprungs von Störungen in dem Verbrennungsantrieb (1) zu einem be
stimmten Abschnitt des Verbrennungsantriebs (1).
7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch die
Anordnung des mindestens einen Körperschallsensors (11, 12, 13) am Gehäu
se (10, 10') des Verbrennungsantriebs (1).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Einheit zur Synchronisierung von mindestens zwei Verbrennungs
antrieben (1), wobei die Einheit die Signale der jeweiligen Schallanalyseein
heit der Verbrennungsantriebe (1) miteinander vergleicht und bei Abweichun
gen Steuerparameter der Verbrennungsantriebe (1) derart verändert, daß sich
die Signale der Schallanalyseeinheiten der Verbrennungsantriebe (1) einander
anpassen.
9. Verfahren zur Diagnose des Zustands oder des Betriebs eines Verbrennungs
antriebs (1) mit einem Lufteinlaß- und einem Abgasbereich, aufweisend fol
gende Schritte:
Umwandeln von Schallwellen in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich in Signale, die mindestens ein Maß für die Amplitude von Schallwellen ver schiedener Frequenz in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich sind, mittels einer Schallanalyseeinheit,
Vergleichen der Signale der Schallanalyseeinheit mit Sollsignalen in einer Vergleichseinheit (5, 5'), so daß eine Aussage über den Zustand oder Betrieb des Verbrennungsantriebs (1) gemacht werden kann.
Umwandeln von Schallwellen in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich in Signale, die mindestens ein Maß für die Amplitude von Schallwellen ver schiedener Frequenz in dem Lufteinlaß- und/oder Abgasbereich sind, mittels einer Schallanalyseeinheit,
Vergleichen der Signale der Schallanalyseeinheit mit Sollsignalen in einer Vergleichseinheit (5, 5'), so daß eine Aussage über den Zustand oder Betrieb des Verbrennungsantriebs (1) gemacht werden kann.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schallkompen
sationseinheit (2, 2') verwendet wird, die im Lufteinlaß- und/oder Abgasbe
reich des Verbrennungsantriebs (1) angeordnet ist, wobei die Schallkompen
sationseinheit (2, 2') mindestens einen ersten Schallwandler (3, 3') als Schall
analyseeinheit zur Umwandlung von Schallwellen in Signale, die ein Maß für
die Amplitude und Phase der Schallwellen sind, und einen zweiten Schall
wandler (4, 4') zur Umwandlung der Signale in Kompensationsschallwellen,
die eine Amplitude und Phase aufweisen, so daß sich die Schallwellen und die
Kompensationsschallwellen wenigstens teilweise auslöschen, aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mittels einer Ausgabeeinheit bei Auftreten mindestens
einer vorherbestimmten Abweichung von Signalen der Schallanalyseeinheit
von Sollsignalen ein Warnsignal ausgegeben wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in einer Auswahleinheit Signale der Schallanalyseeinheit,
die einem oder mehreren bestimmten Frequenzbereichen entsprechen, ausge
wählt und anschließend in der Vergleichseinheit (5, 5') verglichen werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fälligkeitstermin des nächsten Services des Verbren
nungsantriebs (1) aufgrund des Zeitverhaltens von Signalen der Schallanaly
seeinheit im Vergleich zu Sollsignalen von einer Servicekontrolleinheit be
rechnet und angezeigt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ursprung von Störungen in dem Verbrennungsantrieb
(1) mit Hilfe mindestens eines Körperschallsensors (11, 12, 13) einem be
stimmten Abschnitt des Verbrennungsantriebs (1) zugeordnet wird.
15. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß
die Messung des Körperschalls mit dem mindestens einen Körperschallsensor
(11, 12, 13) am Gehäuse (10, 10') des Verbrennungsantriebs (1) erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß Signale der Schallanalyseeinheiten von zwei oder meh
reren Verbrennungsantrieben (1) verglichen werden und auf der Basis dieses
Vergleichs Steuerparameter der Verbrennungsantriebe (1) derart verändert
werden, daß sich die Signale der jeweiligen Schallanalyseeinheiten der Ver
brennungsantriebe einander angleichen, um so die Verbrennungsantriebe mit
einander zu synchronisieren.
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