DE2846795C2 - Verfahren zur Funktionsüberwachung von Kolbenmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Kolbenmaschinen, insbesondere zur Feststellung, Lokalisierung und Registrierung von Leistungsdifferenzen der Zylinder und/oder Kolbenfraß (Trockenlaufkorrosion) in Dieselmotoren, Kolbenkompressoren, Dampfmotoren oder dgl. mit Hilfe einer Winkelgeschwindigkeitsmessung.

Bei dem aus der DE-OS 26 33 908 bekannten Verfahren zur Prüfung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine erfolgt die Winkelgeschwindigkeitsmessung in einem Winkelbereich von etwa 32° um den oberen Totpunkt, wobei die gemessenen Werte in ein Verhältnis zu den gemittelten Winkelgeschwindigkeitswerten für eine ganze Umdrehung gesetzt werden. Der Nachteil des bekannten Verfahrens ist darin zu sehen, daß mit Hilfe der sich auf den oberen Totpunktbereich beschränkenden Messung nur die Werte für jeweils einen Kolben, nicht jedoch der Maschine in ihrer Gesamtheit erfaßt werden können, wobei die für eine festgelegte, durch ein Winkelmaß begrenzte Durchlaufstrecke benötigte (mittlere) Zeit gemessen wird. Die Folge hiervon ist, daß eine Reihe von Schaden — wie etwa Lagerschäden und beginnender Kolbenfraß, überhaupt nicht, oder — wie etwa starker Kolbenfraß in einem nicht gemessenen Kolben — nur bei besonders günstiger Lage zur gemessenen Winkelstrecke liegt Soweit Schäden festgestellt werden können, erstreckt sich die Feststellung auf den reinen Bestand eines Schadens, eine Diagnostizierung oder Lokalisierung des Schadens ist mit Hilfe des bekannten Verfahrens nicht möglich, so daß auch eine eventuell von dem Schaden ausgehende, gegebenenfalls ein Stillsetzen der Maschine erfordernde Gefährdung nicht erkennbar wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Verfahrens zur Funktionsüberwachung von Kolbenmaschinen der genannten Art zugrunde, mit dem auf einfache Weise alle Arten von Funktionsstörungen, insbesondere auch bereits geringfügige Zyltnderreibungsverluste bei beginnendem Kolbenfraß festgestellt und lokalisiert werden können. Die Erfindung besteht darin, daß die Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle über ihrem gesamten Umlauf als Funktion des Drehwinkels gemessen, mit der Winkelgeschwindigkeitskurve bei störungsfreiem Betrieb verglichen sowie die Störungsursache und Störungsquelle als Abweichung von der regelmäßigen Ungleichförmigkeit des Winkelgeschwindigkeitsverlaufes festgestellt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Winkelgeschwindigkeit der Motorkurbelwelle auch bei üblicherweise vorgenommener Dämpfung durch Ausgleichsschwungmassen infolge des taktweisen Kraftangriffes der Kolben während des Explosionstaktes einen regelmäßig ungleichförmigen, 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 Lokali' sierung 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 und infolgedessen in Abhängigkeit von der wechselnden Kolbengeschwindigkeit zu sich propdrtional 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 KoI-bens im Zylinder über dem Kolbenumlaufweg eine charakteristische Verminderung des Drehimpulses bzw. Veränderung der Geschwindigkeitskurve ergibt, die die Feststellung der Art des Fehlers ermöglicht und einen Anhaltspunkt zur Lokalisierung des Fehlers ergibt. Darüber hinaus 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 kleinsten und bei vollbelasteter Maschine den größten Wert besitzt, wobei jeder Beta-

stung bzw. abgegebene Maschinenleistung ein feststehender Amplitudenwert zuzuordnen ist. Ein Vergleich der abgegebenen Leistung mit dem maschinentypischen, der Leistung entsprechenden Amplitjdensoll läßt daher erkennen, ob die inneren Reibungsverluste im s Bereich des Zulässigen liegen. Überschreitung der zulässigen Reibungsverluste 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 Verbindung mit einer Feinmessung der auftretenden Drehkraftschwankungen bzw. Wi.ikelgeschwindigkeitsänderungen.

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 mit 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 zeigt

F i g. 1 den Drehkraft- bzw. Winkelgeschwindigkeitsverlauf eines 6-Zylinder-Viertakt-Motors während eines Taktumlaufes bei störungsfreiem Betrieb,

F i g. 2 das Kurvenbild des Drehkraft- bzw. Winkelgeschwindigkeitsverlaufes eines 6-Zylinder-Viertakt-Motors bei vollständigem Ausfall des dritten Zylinders,

F i g. 3 das Kurvenbild des Drehkraft- bzw. Winkelgeschwindigkeitsverlaufcs eines 6-Zylinder-Vienakt-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 du^ch 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 Bei Ausfall des dritten Zylinders infolge Unterbrechung der Kraftstoffeinspritzung tritt kein Drehimpuls beim Explosionshub dieses Zylinders auf, der Zylinderausfall wird durch Verringerung der Amplitude der zugehörigen Geschwindigkeitsweile erkennbar(F i g. 2).

Dagegen ergibt sich bei beginnendem Kolbenfraß eine Erhöhung der Kolbenreibung und damit das Auftreten von geschwindigkeitspropor'.ionaler. 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 liegen, ergibt sich ein Kurvenbild mit stufenweise periodisch abfallender Geschwindigkeitsamplitude — F i g. 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 Sollkurven bei störungsfrei arbeitender Maschine kann daher unter Beachtung der jeweiligen betrieblichen Gegebenheiten unmittelbar das Auftreten derartiger Verluste nach Art und Größe festgestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung von Kolbenmaschinen, insbesondere zur Feststellung, Lokalisierung und Registrierung von Leistungsdifferenzen der Zylinder und/oder Kolbenfraß in Dieselmotoren, Kolbenkompressoren, Dampfmotoren oder dgl. mit Hilfe einer Winkelgeschwindigkeitsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle über ihrem gesamten Umlauf als Funktion des Drehwinkels gemessen, mit der Winkelgeschwindigkeitskurve bei störungsfreiem Betrieb verglichen sowie die Störungsursaehe und Störungsquelle als Abweichung von der regelmäßigen Ungleichförmigkeit des Winkelgeschwindigkeitsverlaufes festgestellt werden.

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 oder negativer Beschleunigung, gemessen und die Veränderungen gegenüber den entsprechenden Werten bei störungsfrei arbeitender Maschine als Indikator der Funktionsstörung festgestellt werden.

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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle eine Zahnscheibe mit einer großen, die Auflösung des gesamten Drehumfanges in möglichst kleine Winkelabschnitte ermöglichenden Zahnzahl in Verbindung mit einem Lichtschrankengeber oder magnetischen Aufnehmerdient.