DE19947570B4

DE19947570B4 - Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes

Info

Publication number: DE19947570B4
Application number: DE19947570.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Albert; Karsten Wehner; Bernd Mamerow
Original assignee: Maridis Maritime Diagnose & Service GmbH
Current assignee: MARIDIS MARITIME DIAGNOSE & SERVICE GMBH, DE
Priority date: 1999-10-02
Filing date: 1999-10-02
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2019-10-03
Also published as: DE19947570A1

Abstract

Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Ultraschallsignal ein Kurzzeiteffektivwert gebildet wird, wobei eine zur Kurzzeiteffektivwert-Bildung wählbare Integrationszeit an den Drehzahlbereich der Kolbenmaschine angepasst wird, wobei Dauer und Intensität des Kurzzeiteffektivwertes innerhalb einer Verdichtungsphase und einer Expansionsphase der Kolbenmaschine für eine Bewertung genutzt werden.

Description

Gegenstand der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes auf Basis der Ultraschallemissionsanalyse.
Stand der Technik
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.
Verschiedentlich wurden daher auch Ultraschallverfahren der Öffentlichkeit präsentiert. So wird in der Schrift EP 244 258 B1 eine Einspritzvorrichtungs-Überwachungsvorrichtung mit einem Ultraschallwandler, einer Einrichtung zum akustischen Koppeln des Wandlers an eine Einspritzvorrichtung und mit einer Verstärkereinrichtung gezeigt, bei der der Wandler empfindlich auf Ultraschallwellen mit Frequenzen über dem Bereich von 100 kHz bis zumindest 1 MHz ist, wobei die Abschneidefrequenz zumindest 100 kHz beträgt und das Frequenzband ein breites Frequenzband ist, dessen Bandbreite größer als 1/3 seiner mittleren Frequenz ist. Mit der Erfindung soll erreicht werden, dass die Geräusche, die beim Durchfließen von Flüssigkeiten durch eine Einspritzeinrichtung entstehen, herausgefiltert werden können. So kann die Einspritzvorrichtung mittels der emittierten Geräusche überwacht werden.
Mit der Schrift DD 272 682 A1 wird eine automatische Überwachung des Brennstoffeinspritzvorganges bei Dieselmotoren offenbart, die Schrift DD 228 583 A1 zeigt ein Verfahren zur Überwachung der Auslassventile von Dieselmotoren. Bei beiden Verfahren werden Schallemissionen in Abhängigkeit der Kurbelwinkel analysiert. Allerdings wird bei beiden Verfahren ein Integrationsverfahren für die Signalverdichtung zur Verringerung der Datenmengen verwendet, welches jedoch zusätzliche technische Hilfsmittel für die Bewertung des Signals erfordert.
Diese und weitere 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
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.
Lösungsweg
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.
Ausführungsbeispiel
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 kurbelwinkelbezogenen Meßverlauf umzurechnen. Es werden zuerst die Anzahl der Meßwerte pro Arbeitsspiel ermittelt. Hierfür wird die Autokorrelationsfunktion θ_xx für den aufgenommenen zeitabhängigen Meßverlauf nach (1) berechnet, der wenigstens 8 bis 10 Arbeitsspiele umfassen sollte. θ_xx = 1 / NΣ N / n=1RMS_n·RMS_n-k (1)
Signalverlauf und Autokorrelationsfunktion der Meßdaten sind für eine Beispielmessung in und 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 Drehzahlschwankungen 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) für die Berechnung des RMS an den vorgegebenen Kurbelwinkelpositionen genutzt. S(x) = P_i(x) = a_i + b_i(x – x_i) + c_i(x – x_i)²Z + d_i(x – x_i)³ (2) für x ∊ [x_i; x_i+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, dass 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 θ_xy (3) berechnet. θ_xy = 1 / NΣ N / n=1REF_n·RMS_n-k (3)
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 werden 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.
Literaturangaben

/1/ B. R. Long; K. D. Boutin: Enhancing the process of diesel engine condition monitoring ICE-Bericht, Vol. 27-1, ASME, 1996 Fall Technical Conference, Vol. 1, S. 61–68;
/2/ R. Vilbrandt, Ch. Peters: Überwachungseinrichtung für Auslassventile in: Abschlussbericht ”Weiterentwicklung Motordiagnose” IH für Seefahrt Warnemünde Wustrow, 1986, S. 34–51

Claims

Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten an Kolbenmaschinen während des laufenden Betriebes, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Ultraschallsignal ein Kurzzeiteffektivwert gebildet wird, wobei eine zur Kurzzeiteffektivwert-Bildung wählbare Integrationszeit an den Drehzahlbereich der Kolbenmaschine angepasst wird, wobei Dauer und Intensität des Kurzzeiteffektivwertes innerhalb einer Verdichtungsphase und einer Expansionsphase der Kolbenmaschine für eine Bewertung genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messverläufe des Kurzzeiteffektivwertes kurbelwinkelbezogen oder zeitabhängig aufgenommen werden können, wobei eine Umrechnung der zeitabhängig aufgenommenen Messverläufe des Kurzzeiteffektivwertes in kurbelwinkelbezogene Messverläufe des Kurzzeiteffektivwertes mit Hilfe von Korrelationsfunktionen und geeigneten Interpolationsverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrechnung auf beliebig periodische Messverläufe des Kurzzeiteffektivwertes rotierender Maschinen übertragbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schallemissionen Ladungswechselorganen zugeordnet werden und dadurch eine Überprüfung von Steuerzeiten der Ladungswechselorgane möglich ist.