DE2846795A1 - Verfahren zur funktionsueberwachung von kolbenmaschinen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Funktionsüberwachung von
• Kolbenmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Kolbenmaschinen, insbesondere zur Feststellung, Lokalisierung und Registrierung von Leistungsdifferenzen der Zylinder und/oder Kolbenfraß in Dieselmotoren, Kolbenkompressoren, Dampfmotoren oder dgl.
• Die Funktionsüberwachung von Kolbenmaschinen zum Zwecke der Feststellung von Leistungsminderungen einzelner Zylinder etwa bei Störungen in der Einspritzanlage erfolgt bisher vorwiegend durch Messung der Abgastemperaturen an den einzelnen Zylindern, wobei die Störung bei Auftreten einer Temperaturabweichung von einem vorgegebenen Mittelwert durch Signalgabe angezeigt wird. Dieses Uberwachungsverfahren erfordert einen hohen konstruktiven Aufwand wegen der Notwendigkeit der Anbringung getrennter Meßwertgeber, Meßwertverstärker und Vergleichsschaltungen für jeden Zylinder, wobei trotz des hohen Aufwandes nur ein unbefriedigendes Überwachungsergebenis erzielt wird. Dies hat seine Ursache darin, daß die Abgastemperatur nur in erster Annäherung als Leistung indikator angesehen werden kann und etwa durch unvollständige Verbrennung verursachte Leistungsminderungen nicht oder nicht mit genugender Sicherheit in der Abgastemperatur ihren Ausdruck finden. Der wesentliche Nachteil dieses Uberwachungsverfahrens besteht jedoch darin, daß durch Zylinderreibung verursachte Verluste überhaupt nicht erfaßt werden, so daß eine frühzeitige Erkennung eines im Ergebnis zur Zerstörung des Motors führenden Kolbenfressers nicht möglich ist.
• Bei einem weiteren bekannten Verfahren erfolgt die Überwachung auf der Grundlage der Messung der Verbrennungsdrucke der einzelnen Zylinder, wobei Abweichungen von einem vorgegebenen Mittelwert die Abgabe eines Störsignals auslösen. Dieses Verfahren wird wegen des gegenüber dem vorbeschriebenen Verfahren noch wesentlich höheren Kostenaufwandes in der Praxis kaum angewendet.
• Im übrigen bestehen dieselben Nachteile wie bei der Abgastemperaturmessung, nämlich die durch die Beziehung auf einen Mittelwert begründete Ungenauigkeit der Fehlererfassung einerseits und die fehlende Erfaßbarkeit von Zylinder-Reibung verlusten durch beginnenden Kolbenfraß andererseits.
• Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird die Stellung der Einspritzpumpe in Relation zu der abgegebenen Leistung gesetzt und bei Unterschreiten eines bestimmten vorgegebenen Verhältnisses das Störsignal ausgelöst. Infolge der Heranziehung der abgegebenen Leistung als Bezugsgröße ist dieses Verfahren nur auf die Anwendung in Diesel-Generatorsätzen beschränkt. Abgesehen von dem bereits genannten Nachteil der beschränkten Anwendbarkeit nur in Diesel-Generatorsätzen besteht der weitere Nachteil, daß eine Lokalisierung einer auftretenden Störung nicht möglich ist.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Funktionsüberwachung von Kolbenmaschinen der genannten Art, mit dem auf einfache Weise alle Arten von Funktionsstörungen, insbesondere auch geringfügige Zylinderreibungsverluste bei beginnendem Kolbenfraß festgestellt und lokalisiert werden können und die Erfindung besteht darin, daß die Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle als Funktion des Drehwinkels gemessen, mit der Winkelgeschwindigkeitskurve bei störungsfreiem Betrieb verglichen sowie die Störungsursache und Störungsquelle als Abweichung von der regelmäßigen Ungleichförmigl<eit des Winkelgeschwindigkeitsvcrlaufes festgestellt werden.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Winkelgeschwindigkeit der Motorkurbeiwelle auch bei üblicherweise vorgenommener Dämpfung durch Ausgleichsschwungmassen infolge des taktweisen Kraftangri ffes der Kolben während des Explosionstaktes einen regelmäßig ungl eichförmigen, in erster Annäherung einer Sinuskurve entsprechenden Verlauf nimmt, so daß auftretende Funktionsstörungen unmittelbar in einer Änderung des Geschwindigkeitsverlaufes ihren Niederschlag finden. Hierbei ergeben sich je nach Störungsursache unterschiedliche Wirkungen auf den Kurvenverlauf, so daß unmittelbar aus der Art der Kurvenabweichung die Art der Störung erkennbar und ihre Lokalisierung möglich wird. So führt einerseits der vollständige Ausfall eines Zylinders etwa wegen Unterbrechung der Kraftstoffeinspritzung zum vollständigen Ausbleiben des diesem Zylinder zuzuordnenden Drehimpulses und entsprechend zur Verringerung des analogen Winkelgeschwindigkeitsanstieges sowie entsprechend zur Verringerung der Amplitude der zugehörigen Winkelgeschwindigkeitswelle. Andererseits führt beginnender Kolbenfraß zu einer Erhöhung der Kolbenreibung im Zylinder ind infolgedesen in Abhängigkeit von der wechselnden Kolbengeschwindigkeit zu sich proportional verändernden Reibungsverlusten.
• Diese Reibungsverluste besitzen den Wert Null in den oberen und unteren Kolbentotpunkten und erreichen ihre höchsten Werte in der Zone der höchsten Kolbengeschwindigkeit, so daß sich je nach Stellung des schadhaften Kolbens im Zylinder über dem Kolbenumlaufweg eine charakteristische Verminderung des Drehimpulses bzw. Veränderung der Geschwindigkeitsl<urve ergibt, die die Feststellung der Art des Fehlers ermöglicht und einen Anhaltspunkt zur Lokalinierung des Schler- ergibt. Darüberhiltuus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Feststellung innerer Aggregateverluste, beispielsweise von Lagerreibungen. Infolge der unterschiedlichen Leistungsentnahme aus der Schwungmasse bei unterschiedlicher Maschinenbelastung besteht eine Abhängigkeit zwischen der Maschinenbelastung und der Amplitudengröße derart, daß die Amplitude bei unbelasteter Maschine den kleisten und bei vollbelasteter Maschine den größten Wert besitzt, wobei jeder Belastung bzw. abgegebene Maschinenleistung ein feststehender Amplitudenwert zuzuordnen ist. Ein Vergleich der abgegebenen Leistung mit dem maschinentypischen, der Leistung entsprechenden Amplitudensoll läßt daher erkennen, ob die inneren Reibungsverluste im Bereich des Zulässigen liegen. Überschreitung der zulässigen Reibungsver luste bei gleichförmigem Kurvenverlauf bedeutet daher erhöhte Verluste an rundlaufenden Teilen (z.B. erhöhte Lagerverluste).
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit durch einfache Winkelgeschwindigkeitsmessung eine absolut genaue Funktionsüberwachung der Kolbenmaschine und das frühzeitige Erkennen von Funktionsstörungen auf dem Wege eines - gegebenenfalls konstruktionsbedingt vorzusehenden - unvollständigen Massenausgleiches in Verbmit.er Feinmessung der auftretenden Drehkraftschwankungen bzw. Winkelgeschwindigkeitsönderungen.
• In entsprechender Weise können mit gleichem oder annähernd gleich gutem Ergebnis alle die Geschwindigkeit beeinflussenden oder von der Geschwindigkeit abhängigen Größen als Meß- und Vergleichswerte herangezogen werden, so insbesondere der Drehkraftverlauf und die Zeiten positiver und negativer Beschleunigung.
• Die Messung der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle erfolgt vorteilhaft mit Hilfe einer Zahn- oder Lochscheibe einer großen, die Auflösung des gesamten Drehumfanges in möglichst kleine Winkelabschnitte ermöglichenden Zahnzahl in Verbindung mit einem Lichtschrankengeber oder magnetischen Aufnehmer, wobei der als Impulszahl pro Zeiteinheit aufgenommene Ist-Wert-Verlauf in einer Soll-/Ist-Wert-Vergleichsschaltung im Vergleich zu der regelmäßig ungleichförmigen Winkelgeschwindigkeitskurve bei störungsfreiem Betrieb ausgewertet wird. Als Zahnscheibe kann beispielsweise die motoreigene, bei großen Maschinen mit etwa 600 Zähnen ausgerüstete Anlasserscheibe verwendet werden, die die Erstellung eines für eine sehr genaue Auswertung ausreichend geschlossenen Kurvenbildes ermöglicht. Im Bedarfsfalle kann jedoch als Meßwertaufnehmer auch eine Scheibe mit einer noch höheren Zahl von Meßpunkten herangezogen werden.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 den Drehkraft- bzw. Winkelgeschwindigkeitsverlauf eines 6-Zylinder Viertakt-Motors während eines Taktumlaufes bei störungsfreiem Betrieb Fig. 2 das Kurvenbild des Drehkraft- bzw. Winkelgeschwindigkeitsverlaufes eines 6-Zylinder Viertakt-Motors bei vollständigem Ausfall des dritten Zylinders Fig. 3 das Kurvenbild des Drehkraft- bzw. Winkelgeschwindigkeitsverlaufes eines 6-Zylinder-Viertakt-Motors bei Reibungsverlusten wegen Kolbenfraß im dritten Zylinder.
• Bei störungsfreiem Betrieb des Motors zeigt der Drehkraft- bzw. Geschwindigkeitsverlauf das in Fig. 1 wiedergegebene Kurvenbild, bei dem der durch die einzelnen Zylinder in der Explosionsphase ausgeübte Drehimpuls in allen Fällen die gleiche Größe besitzt und damit in einem gleichmäßigen, etwa sinusförmigen Kurvenbild zum Ausdruck kommt. Die Kurvenspitzen bezeichnen die Punkte der größten Winkelgeschwindigkeit jeweils nach Zündung der einzelnen Zylinder, wobei die Ungleichförmigkeit (Amplitude) in Abhängigkeit von der abgegebenen Motorleistung eine unterschiedliche, jedoch für jeden Leistungswert festliegende Größe besitzt.
• Bei Ausfall des dritten Zylinders infolge Unterbrechung der Kraftstoffeinspritzung tritt kein Drehimpuls beim Explosionshub dieses Zylinders auf, der Zylinderausfall wird unmittelbar durch entsprechende Verringerung der Amplitude der zugehörigen Geschwindigkeitswelle erkennbar (Fig. 2).
• Dagegen ergibt sich bei beginnendem Kolbenfraß eine Erhöhung der Kolbenreibung und damit das AuFtreten von geschwindigkeitsproportionalen Reibungsverlusten, die in der oberen und unteren Totpunktlage den Wert Null und in der Zone der höchsten Kolbengeschwindigkeit ihren höchsten Wert erreichen.
• Da die Phase der geringsten Kolbengeschwindigkeit bei 6-Zylinder-Maschinen zeitgleich mit dem Verbrennungstakt des Zylinders der folgenden Phase und die Phasen der höchsten Kolbengeschwindigkeit zeitgleich mit dem Verbrennungstakt des Zylinders der voranstehenden Phase lieqen, erqibt sich ein Kurvenbild mit stufenweise periodisch abfallender Geschwindigl<eitsamplitude - Fig. 3 -das für das Erkennen von Reibungsverlusten in einem Zylinder (Kolbenfraß) charakteristisch ist und eine Lokalisierung des Fehlers zumindest insoweit ermöglicht, daß - bei Auftreten des dargestellten Kurvenbildes - die Reibungsverluste im dritten oder sechsten Zylinder auftreten müssen. Ein entsprechend verschobenes Kurvenbild ergibt sich bei Auftreten von Reibungsverlusten in einem der hierzu phasenverschoben arbeitenden Zylinder.
• Es tritt schließlich im Falle des Auftretens innerer Verluste in umlaufenden Teilen, beispielsweise durch erhöhte Lagerreibung, eine meßbare Vergrößerung der Amplitude über den gesamten Umlauf ein. Durch Vorgabe von leistungsabhängig erstellten Soll.kurvcn bei störungsfrei arbeitender Maschine kann daher unter Beachtung der jeweiligen betrieblichen Gegebenheiten unmittelbar das Auftreten derartiger Verluste nach Art und Größe festgestellt werden.

Claims (4)

1. Paientansprüche Verfahren zur Funktionsüberwachung von l<olbenlliaschinen, insbesondere zur Feststellung, Lokalisierung und Registrierung von Leistungsdifferenzen der Zylinder und/oder Kolbenfraß in Dieselmotoren, Kolbenkompressoren, Dampfmotoren oder dgl., dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle als Funktion des Drehwinkels gemessen, mit der Winkelgeschwindigkeitskurve bei störungsfreiem Betrieb verglichen sowie die Störungsursache und Störungsquelle als Abweichung von der regelmäßigen Ungleichförmigkeit des Winkelgeschuiindigkeitsverlaufes festgestellt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Winkelgeschwindigkeit bestimmende oder von der Winkelgeschwindigkeit abgeleitete Größe, beispielsweise der Drehkraftverlauf oder die Zeiten positiver und negativer Beschleunigung, gewesen und die Veränderungren gegenüber den entsprechenden Werten bei störungsfrei arbeitender Maschine als Indikator der Funktionsstörung festgestellt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Istwerte auf die während der Messung abgegebene Maschinenleistung zurückgeführt und die Veränderung des Kurvenverlaufes gegenüber den auf dieselbe Leistung zurückgeführten Werten bei störungsfrei arbeitender Maschine als Indikator für das Auftreten innerer Reibungsverluste festgestellt werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle eine Zahnscheibe einer großen, die Auflösung des gesamten Drehumfanges in möglichst kleine Winkelabschnitte ermöglichenden Zahnzahl in Verbindung mit einem Lichtschrankengeber oder magnetischen Aufnehmer dient.