DE2203047A1

DE2203047A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2203047A1
Application number: DE19722203047
Authority: DE
Inventors: Leonhard Gerlich; Eugen Heinle; Dieter Hirt
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1972-01-22
Filing date: 1972-01-22
Publication date: 1973-08-02
Also published as: JPS5218845B2; NO143238C; DD102437A1; CH561848A5; NL7300909A; ES410661A1; DE2203047C3; GB1413881A; NO143238B; DE2203047B2; FR2174552A5; SE377162B; JPS4882206A; US3783681A; IT974132B; NL156216B

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 89 Augsburg, Stadtbachstraße 1

P. B. 2662 / 1083 Augsburg, den 21. Januar 1972

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Brennkraftmas chine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Laufgüte eines in einem Zylinder bewegten Kolbens, insbesondere eines Kolbens einer schnellaufenden Brennkraftmaschine, bei dem eine Meßgröße nach Vergleich mit einem Grenzwert ein Signal zur Leistungs· Zurücknahme und/oder zum Abstellen der Brennkraftmaschine liefert.

Bei s ebne Häufenden Brennkraftmaschinen besteht die Gefahr, daß kleinere Schäden an der Lauffläche des Kolbens in der Zylinderbuchse sehr schnell zu sogenannten Kolbenfressern führen, die eine Zerstörung der gesamten Brennkraftmaschine zur Folge haben können.

Aus der deutschen Patentschrift 742 697 ist zwar eine Einrichtung zur Überwachung von Brennkraftmaschinen mit einem Temperaturmeßgerät bekannt, mit der das Fressen eines Kolbens verhindert werden soll. Sobald oder kurz bevor ein Kolben zu fressen beginnt, steigt die Temperatur des Kolbens infolge der erhöhten Reibung im Zylinder ganz erheblich an. Mittels eines im Kolben vorgesehenen Temperaturfühlers, der bei einer vorgegebenen Temperatur eine bestimmte Dehnung oder Krümmung erreicht, wird beim Überschreiten einer Grenztemperatur ein Signal zur

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Stillsetzung der Brennkraftmaschine ausgelöst. Diese Methode hat sich aber als unbrauchbar erwiesen, da ein größerer Anstieg der Temperatur erst in einer Phase auftritt, in der durch ein Abstellen der Brennkraftmaschine größere Schäden meist nicht mehr zu verhindern sind.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein.Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das möglichst frühzeitig eine trägheitsarme Anzeige bedrohlicher Änderungen des Laufverlfltens eines Kolbens ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt in überraschender Weise dadurch, daß die Amplituden und/oder die Frequenzen der Schwingungen der Zylinderbuchse des Kolbens die Meßgröße bilden. Die eine hinreichend lange Zeit vor einer gefährlichen Verschlechterung des Laufverhaltens eines Kolbens auftretenden Schwingungen der Zylinderbuchse bieten die Möglichkeit, eine Verschlechterung der Laufgüte rechtzeitig festzustellen. Hierdurch ist es möglich, einen Schaden in der Anfangsphase seiner Entstehung festzustellen und die notwendigen Maßnahmen zu veranlassen. Mit einem relativ kleinen Aufwand kann hierbei der aufgetretene Schaden behoben werden. Oftmals genügt aber schon eine Leistungszurücknahme der Brennkraftmaschine, da bei geringer Leistung die Kolben sich selbsttätig wieder einlaufen können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bilden die Amplituden und/oder Frequenzen· der Längs schwingungen der Zylinderbuchse die Meßgröße. Es hat sich herausgestellt, daß die Längs schwingungen der Zylinderbuchse in einem sehr frühen Stadium eines sich anbahnenden Kolbenfressers in einer Größenordnung in Erscheinung treten, die eine Messung mit robusten Meßinstrumenten erlaubt. Durch den Einsatz von

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/ robusten Meßinstrumenten ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Stör-

anfälligkeit der Meßinstrumente gering zu halten und Fehlanzeigen zu vermeiden.

Dadurch, daß der Meßwert der Meßgröße in einen elektrischen Spannungs-'** oder Stromausschlag umgeformt wird, ist es möglich, für die Weiterver arbeitung der Meßgröße elektronische Geräte zu verwenden, die einen ' äußerst geringen Raumbedarf aufweisen. Außerdem können insbesondere

nach einer Verstärkung des Meßwerts große Entfernungen in einfacher Weise durch elektrische Leitungen überbrückt werden, so daß die dem Meßwertaufnehmer nachgeschalteten Geräte an einer Stelle untergebracht werden können, die von störenden Außeneinflüssen freigehalten sind.

Durch die vorzugsweise anwendbare Gleichrichtung und gemeinsame Aufintegration der positiven und negativen Ausschläge der Meßgröße wird erreicht, daß eine Veränderung des Meßwertes der Meßgröße sehr rasch erfaßt und unter Ausschaltung statistisch auftretender Störungen zur Abgabe eines Warnsignals verwendet werden kann.

Da mit beginnender Verschlechterung der Laufgüte nicht alle Frequenzen aus dem gesamten Freqmenzspektrum mit gleichmäßiger Intensität auftreten, bietet eine selektive Verstärkung der besonders stark auftretenden Frequenzen für die überwachung der Lauf gute und die Früherkennung von Schäden einen besonderen Vorteil. Erfahrungsgemäß treten mit beginnender Verschlechterung der Laufgüte die Schwingungsfrequenzen im Ultraschallbereich besonders stark auf. Bei stärker werdender Verschlechterung erreichen die Eigenfrequenzen der Buchs en - Läng sschwingungen eine sehr hohe Intensität. Durch eine Auswahl dieser Frequenzen ist es in vorteilhafter Weise möglich, sehr rasch charakteristische Änderungen der Meßgröße festzustellen.

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Die nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Integration der Einzelimpulse über die Dauer eines Arbeitsspiels liefert einen Ausgangswert, der unabhängig von der Motordrehzahl ist, und bietet die Möglichkeiten einfacher Weise die Steuerwelle oder die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine als Impulsgeber zu benützen.

Eine Speicherung des Integrationsergebnisses aus einem Arbeitsspiel bis zum Ende des darauffolgenden Arbeitsspiels ermöglicht eine ständige, nicht unterbrochene überwachung und führt zu einer besonders einfachen Ausbildung des gesamten Uberwachungssystems.

Durch eine Einzelüberwachung der verschiedenen Zylinder bei Mehrzylindermotoren ergibt sich der weitere Vorteil, Störungen unmittelbar am Ort ihrer Entstehung ermitteln zu können. Hierdurch besteht die Möglichkeit,einer Meßwertverfälschung, die durch Dämpfung oder völlige Kompensation der entscheidenden Signale oder durch von anderen Bauteilen herrührenden Störungen entstehen kann, wirksam vorzubeugen.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird aus den Meßwerten der einzelnen Zylinder eines Mehrzylindermotors ein arithmetischer Mittelwert gebildet, der einen gleitenden, lastabhängigen Bezugswert liefert. Hierdurch ist es möglich, einen Voralarm auszulösen, sobald die Laufgüte eines einzelnen Zylinders von diesem Bezugswert um einen bestimmten, einstellbaren Schwellwert nach oben abweicht. Dadurch, daß der Schwellwert etwas über dem Streubereich der einzelnen Zylinder liegt, ist es in vorteilhafter Weise möglich, Fehlalarme zu verhindern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur

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Eigenüberwachung der Meßwertaufnehmer von dem gleitenden mittleren Bezugswert ein einstellbarer Schwellwert abgezogen und ein Aufnehmerdefekt signalisiert, sobald der an einem einzelnen Zylinder aufgenommene Meßwert den verbleibenden Restwert unterschreitet. Mit dieser Eigenüberwachung läßt sich die Funktionssicherheit des gesamten Uberwachungssystems wesentlich erhöhen. '"

Da Kolbenfresser im allgemeinen nur bei einer bestimmten Temperatur der Zylinderbuchse oder bei einem bestimmten Lastbereich des Motors, beispielsweise zwischen 3/4 der Vollast und Überlast erwartet werden können, ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Auslösung eines Signals zur Leistungszurücknähme und/oder zum Abstellen der Brennkraftmaschine neben dem Auftreten von Schwingungen mit der vorgegebenen Intensität von einer weiteren Größe abhängig zu machen. Dadurch kann die Sicherheit gegen Fehlalarme weiter erhöht werden.

Durch das Anbringen der Meßwertaufnehmer am freien, nicht eingespannten Ende der Zylinderbuchse läßt sich die Ansprechempfindlichkeit erhöhten und die Genauigkeit der Messung vergrößern, da die Ausschläge des freien, nicht eingespannten Endes der Zylinderbuchse besonders Stark und nahezu ungedämpft verlaufen.

Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeich ntütag In Verbindung mit den Unter ans prüchen. Ei feeigt

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Uberwachungs-

systerns für einen einzelnen Zylinder,

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Figur 2 ein Blockschaltbild eines Uberwachungs-

systems für einen Mehrzylindermotor.

Mit 1 ist hierbei eine Zylinderbuchse bezeichnet, in der ein Kolben 2 geführt ist. Erhöhte Reibung mit punktförmiger überhitzung einzelner Kolbenstellen bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Materials führt zu erhöhten Scherkräften auf der Lauffläche der Zylinderbuchse 1. Hierdurch werden bevorzugt Längs schwingungen der Zylinderbuchse 1 angeregt. Die Amplituden und die Frequenzen dieser Schwingungen werden von einem an der Zylinderbuchse 1 befestigten Meßwertaufnehmer 3 erfaßt, der Signale in Form von elektrischen Spannungs- oder Stromausschlägen liefert. Die vom Meßwertaufnehmer 3 gelieferten Signale werden nach Verstärkung in einem Verstärker 4 einem Gleichrichter 5 zugeführt, in dem die positiven und negativen Ausschläge gleich gerichtet werden. Der Meßwertaufnehmer 3 und der Verstärker 4 können auch in einer mittels einer Schraube verschlossenen Bohrung in der Zylinderbuchse 1 untergebracht sein. In der Regel genügt ein Meßwertaufnehmer pro Zylinder. Für eine besonders fein ansprechende überwachung können aber auch mehrere Meßwertaufnehmer über den Umfang der Zylinderbuchse 1 verteilt werden. Durch das Vorsehen der Meßwertaufnehmer 3 an der Zylinderbuchse selbst können Störungen direkt am Ort ihrer Entstehtmg ohne vorherige Verfälschung oder Dämpfung erfaßt werden. Außerdem ergibt sich hierdurch eine besonders einfache Montage dieser Teile, da dieser Arbeitsgang noch vor Einbau der Zylinderbuchse in den Motor durchgeführt werden kann. Sofern von außen kommende Störungen nicht befürchtet werden müssen, ist es natürlich auch möglich, die Schwingungen der Zylinderbuchse beispielsweise über Körperschalleiter zu Schwingungsaufnehmern, außerhalb des Motors zu leiten, wodurch die Schwingungsaufnehmer besonders einfach ausge-

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führt werden können. Vom Gleichrichter 5 führt der Signalfluß zu einem Integrator 6, der die einzelnen Impulse über die Dauer eines Ar beitsspiels integriert. Die Integration wird mittels eines aus einem Transistor 7 und einem Kondensator 8 bestehenden Steuergliedes pe riodisch gesteuert. Die Spannung des Kondensators 8 wird je Arbeitsspiel einmal kurzzeitig gelöscht und dadurch der Integrationsvorgang immer wieder neu auf gleiche Anfangsbedingungen zurückgesetzt. Hier durch liefert der Integrator 6 am Ende jeder Integrationsperiode einen drehzahlunabhängigen Endwert. Dieser Wert wird vor jedem Rücksetzen von einer nachfolgenden Sample -and-Hold-Schaltung 9, im folgenden SH-Schaltung genannt, übernommen und bis zur nächsten Übernahme gespeichert. Die Speicherung des Integrationsergebnisses ermöglicht eine ständige, nicht unterbrochene Überwachung. Der Ausgang der SH-Schaltung 9 führt ständig den Integrationsendwert. Der Transistor wird gegenüber der SH-Schaltung 9 etwas verzögert angesteuert, damit die SH-Schaltung den Endwert des Integrators 6 sicher übernehmen kann. Die erforderlichen Impulse für die Steuerung des Integrators 6 und der SH-Schaltung 9 werden über einen Impulsformer 10 von einem Geber abgeleitet, der je Motorumdrehung einen Impuls liefert. In besonders einfacher Weise können diese Impulse von der Kurbelwelle oder der Steuerwelle des Motors abgenommen werden. Sobald das von der SH-Schaltung 9 gelieferte Signal einen mittels eines Grenzwertgebers 12 einstellbaren Grenzwert überschreitet, kann durch einen Pegeldetektor 13 über eine Alarmanlage 14 ein Alarmsignal ausgelöst werden.

Insbesondere bei der Überwachung eines Mehrzylindermotors erweist sich eine Weiterverarbeitung der von den SH-Schaltungen der einzelnen Zylinder gelieferten Signale nach dem in Figur 2 dargestellten Block schaltbild als vorteilhaft. Die von den einzelnen SH-Schaltungen 9a bis 9h kommenden Signale werden einem Summierverstärker 15 zugeführt

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und gleichzeitig von einem Multiplexer 16 automatisch in schneller Folge auf einen Pegeldetektor 17 gegeben. Der Summierverstärker 15 bildet einen arithmetischen Mittelwert der Ausgangs signale der einzelnen SH-Schaltungen. Der Pegeldetektor 17 vergleicht jeden Einzelwert mit dem arithmetischen Mittelwert, der mittels des Summierverstärkers noch um einen einstellbaren, von einem Sollwertgeber 19 abnehmbaren Schwellwert erhöht wird. Überschreitet ein Einzelwert die Summe von arithmetischem Mittelwert und Schwellwert, so liefert der Pegeldetektor 17 ein Ausgangssignal, das zur Betätigung einer Einrichtung 20 zur Auslösung eines yoralarms Verwendung finden kann. Gleichzeitig kann am Multiplexer 16 der auslösende Zylinder angezeigt werden.

Da im allgemeinen Kolbenfresser nur bei hohen Motorbelastungen auftreten, können zur Erhöhung der Sicherheit des Uberwachungs systems noch zusätzliche Kriterien eingeführt werden, von deren gleichzeitigem Auftreten ein Abschalten des Motors , oder eine Zurücknahme der Leistung abhängig gemacht werden können. So kann beispielsweise zusätzlich zu dem Signal des Pegeldetektors 17 das von einem Pegeldetektor 21 sig nalisierte Überschreiten eines von einem Grenzwertgeber 22 gegebenen Grenzwertes, sowie eine weitere Größe, beispielsweise der Betrieb des Motors in einem bestimmten Lastbereich über eine logische Verknüpfung 23 mit in die Entscheidung über den Abstellvorgang einbezogen werden. Der Betrieb des Motors in einem kritischen Lastbereich läßt sich in einfacher Weise durch eine zusätzliche Erfassung der Stellung des Füllungsge'stänges 24 einer Brennstoffpumpe 25 überwachen. Die logische Verknüpfung 23 gibt bei gleichzeitigem Auftreten aller drei Eingangsgrößen einen Befehl zur Zurücknahme des Füllungsgestänges oder zum Abstellen des Motors. Selbstverständlich können auch noch weitere Größen über die logische Verknüpfung 23 mit in die Entscheidung über den Ab-

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Stellvorgang einbezogen werden. Bei einem besonders vorsichtigen Betrieb der Brennkraftmaschine kann der Abstellvorgang natürlich auch schon beim Auftreten einer kleineren Anzahl von Störgrößen ausgelöst werden.

Durch einen weiteren Pegeldetektor 26 und einen weiteren Summierverstärker 27 läßt sich weiterhin eine Selbstüberwachung der einzelnen Meßkanäle vom Meßwertaufnehmer bis zum Ausgang der SH-Schaltungen durchführen. Von dem vom Summierverstärker 15 gelieferten arithmetischen Mittelwert wird mittels des Summierverstärkers 27 ein von einem Sollwertgeber 28 einstellbarer Schwellwert abgezogen und der verbleibende Restwert mittels des Pegeldetektors 26 mit den vom Multiplexer 16 gelieferten Werten verglichen. Sobald eine Unterschreitung festgestellt werden kann, wird eine Alarmanlage 29 in Betrieb gesetzt. Hiermit kann der Ausfall eines Meßwertaufnehmers sicher erfaßt werden.

Durch weitgehende Integration der elektronischen Elemente auf wenigen Siliziumplättchen wird die Funktionssicherheit der Überwachungseinrichtung wesentlich erhöht. Außerdem ergibt sich ein äußerst geringer Platzbedarf und ein unwesentlicher Leistungsverbrauch.

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Claims

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- 10 Ansprüche

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Laufgüte eines in einem Zylinder bewegten Kolbens, insbesondere eines Kolbens einer schneilauf enden Brennkraftmaschine, bei dem eine Meßgröße nach Vergleich mit einem Grenzwert ein Signal zur Leistungszurücknahme und/oder zum Abstellen der Brennkraftmaschine liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden und/ oder die Frequenzen der Schwingungen der Zylinderbuchse (l) , des Kolbens (2) die Meßgröße bilden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden und/oder die Frequenzen der Längs schwingungen der Zylinderbuchse (l) die Meßgröße bilden.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert der Meßgröße in einen elektrischen Spannungs- oder Stromausschlag umgeformt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen Ausschläge der Meßgröße nach Verstärkung in einem Verstärker (4) mittels eines Gleichrichters (5) gleichgerichtet und in einem Integrator (6) gemeinsam aufintegriert werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verstärkung der Meßwerte irn Verstärker (4j die besonders stark auftretenden Frequenzen bevorzugt verstärkt werden.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrationsweg ein Arbeitsspiel

des Kolbens (2) umfaßt und von der Kurbel- oder der Steuerwelle der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrationsergebnis aus einem Arbeitsspiel bis zum Ende des darauffolgenden Arbeitsspiels gespeichert und danach gelöscht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrzylindermotoren die verschiedenen Zylinder einzeln überwacht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrzylindermotoren aus den Meßwerten mehrerer Zylinder ein arithmetischer Mittelwert gebildet wird, der einen gleitenden lastabhängigen BeZHgS¹WeTt liefert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Alarmgrenzwertes zu dem gleitenden mittlerer. Bezugswert noch ein einstellbarer Schwellwert, der etwas größer als der Streubereich der einzelnen Zylinder ist,
addiert wird und bei Überschreitung des Endwertes Alarm ausgelöst wird.

11. Verfahren nach einem dar Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eigenüberwachung der Meßwertaufnehmer von dem gleitenden mittleren !'><..·/.ugswert. ein einstellbarer

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Schwellwert abgezogen wird und nach Unterschreitung des verbleibenden Restwertes ein Aufnehmerdefekt signalisiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung eines Signals zur Leistungszurücknahme und/oder zum Abstellen der Brennkraftmaschine vom Auftreten einer weiteren Größe, beispielsweise dem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem bestimmten Lastbereich abhängig gemacht wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch l.zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen der Zylinderbuchse (l) mit durch Beschleunigungs- oder Körper schallauf nehmer gebildeten Meßwertaufnehmern (3) aufgenommen werden, die am kurbelwellenseitigen Ende der Zylinderbuchse (l) befestigt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer (3) und eventuell erforderliche Vorverstärker in die Zylinderbuchse (l) hermetisch dicht integriert sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine integrierte Schaltung der zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte notwendigen elektronischen Bauteile.

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