DE19947570A1 - Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes - Google Patents
Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden BetriebesInfo
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Abstract
Die wachsenden Leistungsanforderungen an Kolbenmaschinen führen zu einer steigenden Beanspruchung der Baugruppen. Besonders betroffen davon sind u. a. auch die Ventile im Zylinderkopf. Nicht rechtzeitig erkannte Undichtigkeiten können schnell zu größeren Schäden an den Ventilbaugruppen sowie an nachgeschalteten Einrichtungen führen. DOLLAR A Es wird ein Verfahren angeboten, mit dem eine Erkennung von Undichtigkeiten schon im Entstehungsstadium ermöglicht wird. Die Messung und Bewertung des bei variabler Zeitkonstante gebildeten Kurzzeiteffektivwertes (RMS) in bestimmten Kurbelwinkelbereichen bildet die Grundlage des Verfahrens. Der RMS kann dabei sowohl kurbelwinkelgetriggert als auch zeitgetriggert gemessen werden. DOLLAR A Die zeitgetriggerten Meßwerte werden mit Hilfe von Korrelationsfunktionen und geeigneten Interpolationsverfahren ohne direkte Bestimmung der Drehzahl in einen kurbelwinkelabhängigen Meßverlauf umgerechnet. DOLLAR A Als Diagnoseparameter wird die Wahrscheinlichkeit einer Undichtigkeit ermittelt. Die Bestimmung dieser Wahrscheinlichkeit erfolgt auf der Grundlage der Bewertung des RMS-Signals in speziellen Kurbelwinkelbereichen.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von Undichtigkeiten an
Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes auf Basis der Ultraschallemissions
analyse.
Undichtigkeiten am Brennraum von Motoren treten auf Grund der hohen Belastungen
speziell an den Auslaßventilen auf, man nennt das "Schußkanäle". Speziell bei
Großdieselmotoren sind die Belastungen auf Grund der verwendeten Schweröle
besonders hoch. Entstehende Schäden betreffen dabei nicht nur das Auslaßventil,
sondern besonders die nachgeschalteten Anlagen wie Abgasturbolader und KAT. Um
"Schußkanälen" vorzubeugen, werden heutzutage besondere Materialien für die
Ventilsitze verwendet. Auch kommen automatische Ventildrehvorrichtungen (Rotocap)
zum Einsatz.
Das Erkennen von "Schußkanälen" erfolgt heutzutage durch die Überwachung des
Zylinderinnendruckes und der Abgastemperatur. Mit diesen Methoden lassen sich
entstandene "Schußkanäle" jedoch erst detektieren, wenn deren Ausprägungsgrad so
groß ist, daß entweder schon Folgeschäden entstanden sind oder eine Reparatur des
Ventilsitzes über Einschleifen nicht mehr möglich ist.
Ultraschallverfahren wie die direkte Messung des Ultraschallsignals /1/ oder die
Ratenmessung /2/ haben sich aufgrund der zum Teil erheblichen Anforderungen an
Meß- und Auswertetechnik in der Praxis nicht durchgesetzt.
Ziel der Erfindung ist es, sich anbahnende Undichtigkeiten im Entstehungsstadium zu
erkennen. Zum Einen als Schutz der nachgeschalteten Anlagen aber zum Anderen
auch, um eine Reparatur der Dichtflächen überhaupt zu ermöglichen. Weiterhin soll
mit Hilfe der Erfindung die Möglichkeit bestehen, die Instandhaltungsintervalle
zustandsbezogen festzulegen.
Die Messung des Ultraschallsignals erfolgt mit einem entsprechenden
Ultraschallwandler am Zylinderkopf der Kolbenmaschine. Für die Detektion von
Undichtigkeiten werden die Ultraschallsignale in einem Frequenzbereich von ca.
300 kHz bis ca. 1 MHz verwendet. Da eine direkte Messung und Verarbeitung des
Ultraschallsignals sowohl an die Meßtechnik als auch an die Auswertetechnik
erhebliche Anforderungen stellt, wird bei der beschriebenen Methode der
drehzahlabhängige Kurzzeiteffektivwert (RMS) des Schallsignals gebildet, der dann
mit Standardmeß- und Auswertetechnik weiterverarbeitet werden kann.
Die Integrationszeitkonstante zur RMS-Bildung muß dabei zur Anpassung an den
Drehzahlbereich der Kolbenmaschine wählbar sein.
Die Erfassung des RMS-Signals kann sowohl kurbelwinkelgetriggert als auch
zeitgetriggert erfolgen.
Für die kurbelwinkelgetriggerte Messung wird ein Drehwinkelgeber an der
Kurbelwelle benötigt, der die Triggerimpulse zur A/D-Wandlung und einen OT-
Impuls zum Start der Messung liefert. Die so aufgenommenen Meßverläufe können
dann gemittelt und weiterverarbeitet werden.
Bei der zeitgetriggerten Messung wird kein Kurbelwinkelgeber benötigt. Abhängig
vom Drehzahlbereich der Maschine werden die Meßwerte in konstanten Zeitabständen
aufgenommen, so daß mehrere Arbeitsspiele mit einer ausreichenden Anzahl von
Meßwerten pro Arbeitsspiel für die Auswertung zur Verfügung stehen. Aus dem
aufgenommenen Meßverlauf werden die einzelnen Arbeitsspiele selektiert und
gemittelt. Aus der Anzahl der Meßpunkte pro Arbeitsspiel und der Ähnlichkeit der
Arbeitsspiele zueinander lassen sich Fehler bei der Meßwerterfassung wie schlechte
Sensorankopplung, starke Drehzahlschwankungen oder Übertragungsprobleme
erkennen.
Es ist zweckmäßig, eine Abbildung des gemessenen und gemittelten Kurvenverlaufes
auf eine vorgegebene Anzahl von Stützstellen pro Arbeitsspiel mit Hilfe geeigneter
Interpolationsverfahren durchzuführen. Anschließend werden die so ermittelten
Kurvenverläufe auf die richtige Lage zum OT korrigiert. Dazu können die im
Signalverlauf erkennbaren Ventilöffnungs- und -schließimpulse genutzt werden.
Für den Nachweis von Undichtigkeiten werden Kurbelwinkelbereiche in der
Verdichtungsphase und in der Expansionsphase der Kolbenmaschine so ausgewählt,
daß in den gewählten Kurbelwinkelbereichen bei ungestörtem Betrieb der Maschine
keine Schallsignale im oben genannten Frequenzbereich registriert werden.
Für die Bewertung werden sowohl die Dauer als auch die Intensität des RMS-Signals
in den gewählten Bereichen zur Bildung einer Diagnosekennzahl, die ein Maß für die
Wahrscheinlichkeit einer Leckage darstellt, genutzt.
Das vom Schallwandler kommende Signal wird verstärkt, gefiltert und der RMS über
eine entsprechend der Drehzahl variablen Integrationszeit gebildet.
Für die zeitgetriggerte Meßwerterfassung sind die Meßdaten auf einen kurbel
winkelbezogenen Meßverlauf umzurechnen. Es werden zuerst die Anzahl der
Meßwerte pro Arbeitsspiel ermittelt. Hierfür wird die Autokorrelationsfunktion Θxx für
den aufgenommenen zeitabhängigen Meßverlauf nach (1) berechnet, der wenigstens 8
bis 10 Arbeitsspiele umfassen sollte.
Signalverlauf und Autokorrelationsfunktion der Meßdaten sind für eine
Beispielmessung in Abb. 1a und Abb. 1b dargestellt.
Durch die Bestimmung der Lage der Maxima der Autokorrelationsfunktion lassen sich
die Anzahl der Meßwerte für die jeweiligen Arbeitsspiele ermitteln. Es sind hiermit
auch Unterschiede in der Meßwerteanzahl, hervorgerufen durch Drehzahl
schwankungen oder Fehler bei der Meßwerterfassung und -übertragung erkennbar.
An die Bestimmung der Arbeitsspiellänge schließt sich die Mittelung der gemessenen
Daten an.
Da die Anzahl der Daten pro Arbeitsspiel, durch unterschiedliche Motordrehzahlen
oder unterschiedliche Abtastraten stark schwanken können, ist für die weitere Analyse
eine Abbildung des Signalverlaufes auf eine definierte Anzahl von Werten
zweckmäßig. Es bieten sich dabei z. B. 360 (bei Zweitaktmotoren) bzw. 720 Werte
(bei Viertaktmotoren) an.
Als Interpolationsverfahren eignet sich z. B. die Spline-Interpolation mit Hilfe
kubischer periodischer Splines.
Hierbei wird ein kubisches Polynom (2) ihr die Berechnung des RMS an den
vorgegebenen Kurbelwinkelpositionen genutzt.
S(x)∼Pi(x) = ai + bi(x-xi) + ci(x-xi)2Z + di(x-xi)3 (2)
für x ∈ [xi; xi+1], i = 1 . . . n
Auf der Grundlage der Spline-Polynome lassen sich die kurbelwinkelbezogenen
Werte des RMS-Verlaufes berechnen. Man erhält damit einen Meßverlauf, der einem
kurbelwinkelgetriggerten entspricht, der jedoch noch in seiner Lage zum OT des
jeweiligen Zylinders korrigiert werden muß.
Zur OT-Korrektur wird die Meßkurve so verschoben, das sich der OT des zu
bewertenden Zylinders bei 180 bzw. 360 Grad KW liegt.
Bei der Verwendung eines Kurbelwinkelgebers kann für die Verschiebung ein in der
Konfiguration fest eingestellter Korrekturwinkel genutzt werden, der aus der Stellung
des Kurbelwinkelgebers zu OT Zylinder 1 und der Kurbelkröpfung der Maschine
resultiert.
Für die OT-Korrektur bei der zeitgetriggerten Messung wird ein Referenzverlauf
genutzt, der die richtige Lage zu OT des jeweiligen Zylinders hat. Dieser
Referenzverlauf kann eine früher abgespeicherte Messung oder ein berechneter
qualitativer Verlauf sein.
Zur Bestimmung des Versatzes zwischen Meßverlauf und Referenzverlauf (REF)
wird eine Kreuzkorrelationsfunktion Θxy (3) berechnet.
Die Position des Maximums des berechneten Verlaufes liefert den Winkel, um den die
Meßkurve verschoben werden muß. Der Korrelationskoeffizient an dieser Stelle
beschreibt die Ähnlichkeit der beiden Kurven. Dieser Parameter kann weiterhin dazu
genutzt werden, um Fehler bei der OT-Korrektur zu erkennen. Je niedriger dieser
Wert ist, desto wahrscheinlicher ist ein Fehler bei der Korrektur.
Eine weitere Möglichkeit ist die OT-Korrektur über die Kenntnis der Steuerzeiten. Es
werde die Kurbelwinkel-Abstände zwischen den aus dem Signalverlauf erkannten
Maxima berechnet und der Signalverlauf so lange Verschoben, bis diese Abstände mit
den Steuerzeiten überein stimmen.
Für die Detektion von Undichtigkeiten am Zylinderkopf von Kolbenmaschinen werden
Kurbelwinkelbereiche betrachtet, in denen bei ungestörtem Betrieb keine
Schallemission im verwendeten Frequenzbereich auftritt. Diese Bereiche sind die
Kompressionsphase und die Expansionsphase. Die Bereiche werden jeweils vom
Einspritzprozeß (Verbrennungskraftmaschinen) und der Schallemission der
Ladungswechselorgane begrenzt.
Aus Dauer und Intensität der Ultraschallemission in diesen Bereichen wird ein
Diagnoseparameter bestimmt, der die Wahrscheinlichkeit einer Undichtigkeit
beschreibt. Im Ausführungsbeispiel wird dies durch eine gewichtete Integration des
RMS-Signals der Einzelbereiche durchgeführt.
B. R. Long; K. D. Boutin:
Enhancing the process of diesel engine condition monitoring
ICE-Bericht,
ASME, 1996 Fall Technical Conference;
R. Vilbrandt, Ch. Peters:
Überwachungseinrichtung für Auslaßventile
in: Abschlußbericht "Weiterentwicklung Motordiagnose"
IH für Seefahrt Warnemünde Wustrow, 1986
Enhancing the process of diesel engine condition monitoring
ICE-Bericht,
ASME, 1996 Fall Technical Conference;
R. Vilbrandt, Ch. Peters:
Überwachungseinrichtung für Auslaßventile
in: Abschlußbericht "Weiterentwicklung Motordiagnose"
IH für Seefahrt Warnemünde Wustrow, 1986
Claims (3)
1. Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des
laufenden Betrieb dadurch gekennzeichnet, daß der bei variabler Zeitkonstante gebildete
Kurzeiteffektivwert (RMS) des vom Ultraschallwandler gelieferten Signales zum
Nachweis von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß auch bei zeitgetriggerter
Meßwertaufnahme beliebige periodische Meßverläufe rotierender Maschinen mit Hilfe
von Korrelationsfunktionen dem Drehwinkel ohne eine direkte Messung der Drehzahl
zugeordnet werden können.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß über die Zuordnung der im
Signalverlauf erkennbaren Ereignisse eine Überprüfung der Steuerzeiten der Ventile
möglich ist.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19947570.9A DE19947570B4 (de) | 1999-10-02 | 1999-10-02 | Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19947570.9A DE19947570B4 (de) | 1999-10-02 | 1999-10-02 | Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19947570A1 true DE19947570A1 (de) | 2001-04-05 |
| DE19947570B4 DE19947570B4 (de) | 2016-07-14 |
Family
ID=7924325
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19947570.9A Expired - Lifetime DE19947570B4 (de) | 1999-10-02 | 1999-10-02 | Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes |
Country Status (1)
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| DE (1) | DE19947570B4 (de) |
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1999
- 1999-10-02 DE DE19947570.9A patent/DE19947570B4/de not_active Expired - Lifetime
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|---|---|
| DE19947570B4 (de) | 2016-07-14 |
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