DE3112122C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus dem Fachbuch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", Krautkrämer J. + H., S. 287-288, Springer-Verlag, 1980 sowie aus der Veröffent­ lichung "Identification of acoustic emission source mechanisms by energy spectrum", B. Woodward, Ultrasonics, Nov. 1976, S. 249-255 sind jeweils Verfahren zur Werkstoffprüfung bekannt, die die spon­ tane Emission von Schaltsignalen aus den zu prüfenden Werkstoffen verwenden. Es werden die Amplitude und/oder die Frequenzspektren nach Besonderheiten untersucht, die Rückschlüsse auf mögliche Fehler zulassen.

Aus der DE-OS 26 09 152 ist ein Verfahren zum Entdecken sich anbah­ nenden Ermüdungsschäden in einem Metallteil bekannt, das im Gebrauch sich zyklisch wiederholenden Ermüdungsbelastungen ausgesetzt ist. Das zu untersuchende Metallteil wird einem Test unterworfen, bei dem es einer Belastung ausgesetzt wird, die wenigstens gleich der Be­ triebsbelastung des Teils ist. Die akustischen Emissionen während des Tests werden ermittelt und mit den Emissionen verglichen, die das wieder eingebaute Teil während des Betriebs abgibt. Der Be­ lastungstest des ausgebauten Teils wird in vorgebbaren zeitlichen Abständen wiederholt, um stets aktuelle Referenzwerte bereitzustel­ len.

In der Veröffentlichung "Application of correlation techniques for localization of acoustic sources", I. Grabec, Ultrasonics, Mai 1978, S. 110-115 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Ortes von Schall­ wellen in einem Material beschrieben, das auf der Messung von Korre­ lationsfunktionen der Schaltsignale basiert. Das Verfahren ist nur für zeitlich unkorrelierte Emissionen geeignet, die von einer ört­ lich begrenzten Quelle in einem großen System ohne Schallreflexionen ausgehen.

Messungen an Schaltstörquellen unter Anwendung der Korrelationstech­ nik sind auch aus dem Fachbuch "Korrelationselektronik", F. H. Lange, VEB-Verlag Technik, Berlin, 2. Aufl., S. 290 ff. be­ kannt. Es werden zwei Mikrophone verwendet, wobei ein Mikrophon an einer Schallquelle angebracht ist, während ein weiteres Mikrophon den Schall im Raum mißt. Hierdurch läßt sich der Geräuschanteil einer Geräuschquelle bei mehreren vorhandenen Geräuschquellen fest­ stellen. Für die Fahrzeugdiagnose ist dieses Verfahren nicht anwend­ bar, da nicht eine Analyse der Geräuschanalyse der Geräuschanteile erfolgen soll, sondern nur Gefahren anzeigende Geräuschanteile herausgefiltert werden sollen. Eine Korrelationsanalyse mit zwei Meßmikrophonen ist daher nicht möglich.

Aus der US-PS 40 07 630 ist eine Vorrichtung zum Erkennen von Schä­ den an rotierenden Teilen bekannt, die eine Auswertung der Schall­ emissionen des rotierenden Teils vornimmt. Die beschriebene Vorrich­ tung setzt voraus, daß die für die Beschädigung charakteristische Schallemission nur kurzzeitig ein oder mehrmals während der Umdre­ hung des Teils auftritt. Diese Vorrichtung eignet sich nur zur Er­ kennung von speziellen Fehlern, deren kurzzeitige Emissionsspektren deutlich oberhalb des über der Zeit gemittelten Grundspektrums des rotierenden Teils liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fahrzeugdiagnose anzugeben, die ohne Eingriff in die Brennkraftmaschine auf einfache Weise die Erkennung unterschiedlich­ ster Fehler ermöglichen. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß mit der Bildung von Kreuzkorrelationen des mit einem Mikrophon aufgenommenen Geräuschs der Brennkraftmaschine mit einem mit der Brennkraftmaschi­ ne synchronisierten und über ein Verzögerungsglied geleiteten Feh­ lersignal eine Fahrzeugdiagnose auf Fehler hin durchführbar ist, wo­ bei beliebig viele Fehlersignale beispielsweise in Speichern ableg­ bar sind. Die Wartung von Brennkraftmaschinen ist daher besonders einfach und kann auch im laufenden Betrieb erfolgen. Des weiteren ist auch eine kontinuierliche Überwachung möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ver­ besserungen des im Hauptanspruch angegebenen Ver­ fahrens möglich. Durch rampenförmiges, langsames Ansteigen der Verzögerungszeit ist es möglich, un­ terschiedliche Korrelationswerte zu erzeugen, die es ermöglichen, phasenabhängige Fehler zu erkennen. Weiterhin ist es günstig, die Periode der Rampen­ funktion sehr viel größer als den periodischen Vor­ gang der Kraftmaschine zu gestalten. Durch diese Maßnahme ist die Verzögerungszeit bezüglich mehrerer periodischer Vorgänge der Kraftmaschine quasi kon­ stant und ermöglicht eine sichere Auswertung. Die Korrelationsfunktion und/oder der Spitzenwert der Korrelation werden vorteilhafterweise zur Auswertung angezeigt oder können direkt zum Eingriff in die Maschine verwendet werden. Um mehrere Fehlermöglich­ keiten zu erfassen, ist es vorteilhaft, eine Vielzahl von Fehlersignalen abrufbar zu speichern.

Zur Speicherung ist es vorteilhaft, eine Speicher­ vorrichtung vorzusehen, die zumindest ein Fehler­ signal enthält, wobei die Speichervorrichtung von periodisch wiederkehrenden Signalen der Kraftmaschine getriggert ist. Dies ermöglicht eine besonders ein­ fache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Als Speichervorrichtung sind digitale Halbleiter­ speicher besonders geeignet. Als periodisch wieder­ kehrende Trigger-Signale eignen sich besonders Mar­ ken an der Abtriebswelle der Kraftmaschine. Zur Bil­ dung der Korrelation wird das vom Trigger-Signal ge­ speicherte Störgeräusch verzögert und zusammen mit einem vom Mikrophon aufgenommenen Geräusch mittels eines Multiplizierers und eines Mittelwertbildners korreliert. Vorteilhaft ist es, wenn die Speicher­ vorrichtung mit der rampenförmigen Verzögerung kombiniert ist. Die Auswertung der Korrelations­ funktion erfolgt einfach durch einen Komparator, der beim Überschreiten eines Schwellwertes anspricht. Zur Bestimmung der Phase ist es vorteilhaft, beim Überschreiten des Schwellwerts in einer Speichervor­ richtung den Wert der Verzögerung abzuspeichern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt ein Mikrophon 1, das beispielsweise am Gehäuse einer Brennkraftmaschine angebracht ist.

Das vom Mikrophon 1 aufgenommene Geräuschspektrum wird von einem Verstärker 2 verstärkt und gelangt zu einem Eingang eines Multiplizierers 3. Die nicht dargestellte Brennkraftmaschine weist eine Kurbelwelle 4 auf, an der beispielsweise eine obere Totpunktmarke angebracht ist. An der Kurbelwelle 4 ist ein Geber 5 angeordnet, der beim Passieren der Marke ein Signal abgibt, das von einem Verstärker 6 verstärkt wird. Der Ausgang des Verstärkers 6 führt zum Triggereingang einer Speichereinheit 7. Von der Speichereinheit 7 sind mittels einer Datenleitung 8 jeweils eine periodische Funktion abrufbar. Die periodische Funktion gelangt über den Ausgang des Speichergliedes 7 zu einem ver­ änderbaren Verzögerungsglied 9, dessen Ausgang wie­ derum mit dem Multiplizierer 3 in Verbindung steht. Der Ausgang des Multiplizierers 3 führt zu einem Mittelwertbildner 10, an dessen Ausgang ein Kompa­ rator 11 angeschlossen ist, der dann ein Signal ab­ gibt, wenn ein Korrelationssignal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Das Ausgangssignal wird in einem Speicher 14 gespeichert und führt beispiels­ weise zum Aufleuchten der Lampe 15. Mittels einer Steuerleitung vom Speicherglied 14 zum Speicherglied 7 kann der weitere Ablauf gestoppt werden. Die Ver­ zögerungszeit wirkt über eine Rampenfunktion vom Rampengenerator 12 auf das Verzögerungsglied 9 ein. Beim Auftreten eines Signales am Ausgang des Kom­ parators 11 gelangt dieses ebenfalls zum Rampen­ generator 12 und bewirkt, daß die augenblickliche Spannung zur Steuerung des Verzögerungsgliedes 9 festgehalten wird. Eine Anzeigevorrichtung 13 dient zur Anzeige der so ermittelten Verzögerungszeit.

Soll nun beispielsweise eine Diagnose über eine Brenn­ kraftmaschine in einem Kraftfahrzeug angefertigt wer­ den, so wird das Mikrophon 1 im Motorraum des Kraft­ fahrzeugs untergebracht. Das durch den Verstärker 2 verstärkte Signal bildet die erste Eingangsgröße für den Multiplizierer 3. Im Speicher 7, der als Analog- Speicher oder Digital-Speicher ausgebildet sein kann, sind Fehlerfunktionen gespeichert. Wegen der hohen Speicherdichte sind digitale Speicher besonders vor­ teilhaft. Die Fehlerfunktion ist so ausgebildet, daß sie jeweils eine bestimmte Störung am Motor simuliert und ein charakteristisches Störmuster wiedergibt. Über die Datenleitung 8 sind verschiedene Fehlerfunktionen anwählbar, so daß verschiedene genau definierte Stör­ fälle diagnostiziert werden können. Um eine Korrela­ tion zu ermöglichen, ist es notwendig, die im Speicher­ glied 7 abgelegte Störfunktion mit dem vom Mikrophon 1 aufgenommenen periodischen Signal zu synchronisieren. Dies geschieht durch die Kurbelwelle 4 der Brennkraft­ maschine, wo beispielsweise mittels des Gebers 5 die obere Totpunktmarke, die an der Kurbelwelle gekenn­ zeichnet ist, aufgenommen wird. Dieses Signal wird mit dem Verstärker 6 verstärkt und dient zur Triggerung des Speichergliedes 7. Die Störfunktion wird durch das Verzögerungsglied 9 in ihrer Phase verzögert und eben­ falls dem Multiplizierer 3 zugeführt.

Fig. 2a zeigt als Beispiel ein vom Mikrophon 1 auf­ genommenes Signal, das dem Multiplizierer 3 zuge­ führt wird, während Fig. 2b eine periodische Fehler­ funktion darstellt, welche im Speicherglied 7 abge­ legt ist und verzögert ebenfalls zum Multiplizierer 3 gelangt. Nach der Mittelwertbildung durch den Mittel­ wertbildner 10 entsteht ein Wert der Korrelationsfunktion.

Das Wesen der Korrelationsbildung ist in der eingangs aufgeführten Literaturstelle ausführlich erläutert, so daß sich ein näheres Eingehen erübrigt. Es sei nur gesagt, daß am Ausgang des Mittelwertbildners 10 ein Korrelationsspitzenwert entsprechend Fig. 2d auftritt, wenn die Fehlerfunktion nach Fig. 2b in dem Signalgemisch nach Fig. 2a enthalten ist. Tritt ein solcher Impuls auf, so wird durch den Komparator 11 der Speicher 14 gesetzt, und die Lampe 15 zeigt den Fehler an. Hierbei ist zu beachten, daß die Anzeige um so zuverlässiger wird, je mehr Perioden abgewartet werden. Der Wert der Kreuzkorrelationsfunktion am Aus­ gang des Mittelwertbildners 10 gibt den Grad der sta­ tistischen Ähnlichkeit zwischen dem synchronisierten synthetischen Signal vom Speicherglied 7 und dem periodischen Meßsignal vom Mikrophon 1 an. Je nach Höhe des Schwellwertes, der durch den Komparator 11 festgelegt ist, lassen sich daher auch Fehler anzei­ gen, wenn die Fehlerfunktion nicht exakt in dem auf­ genommenen Signal enthalten ist. Es ist auch in be­ stimmten Fällen vorteilhaft, in Abhängigkeit von der durch die Datenleitung 8 eingestellten Fehler­ funktion den Schwellwert des Komparators 11 zu ver­ ändern. Typische Anwendungsbeispiele für diese Schal­ tungsanordnung können die Meldung von Spiel in den Pleuellagern, Spiel in den Kurbelwellenlagern, Spiel im Ventiltrieb, Gleichmäßigkeit der Verbrennung in den Zylindern, Klopfen, Zündaussetzern, Kolben­ kippen oder ähnliche Störungen am Motor sein.

Da die vom Mikrophon 1 aufgenommenen fehlerhaften Signale pro Umdrehung des Motors mehrmals und/oder in verschiedenen Phasenlagen auftreten können, ist es günstig, die Verzögerungszeit variabel zu gestalten. Dies geschieht durch eine rampenförmig langsam an­ steigende Laufzeit. Diese Laufzeit kann mittels einer veränderbaren Spannung erzeugt werden, die von dem Rampengenerator 12 erzeugt wird. Eine solche rampen­ förmige Spannung zur Steuerung des Verzögerungsgliedes 9 ist in Fig. 2c dargestellt. Aufgrund des Wesens der Korrelation ist es notwendig, daß der rampenförmige Anstieg der Laufzeit eine sehr viel größere Perioden­ dauer als der untersuchende Motor haben muß. Wird beim Auftreten der Kreuzkorrelationsspitze das augen­ blicklich anliegende Signal am Verzögerungsglied 9 eingefroren und durch das Anzeigeinstrument 13 gleich­ zeitig angezeigt, so kann aufgrund des Phasenwinkels Rückschluß gezogen werden, in welchem Zylinder bei­ spielsweise ein Klopfen auftritt oder wo Zündaussetzer vorhanden waren.

Die gesamte Schaltungsanordnung ist vorteilhaft mittels Mikroprozessoren, insbesondere Einchip-Mikroprozessoren mit integriertem Speicher, ausführbar. Insbesondere die Rechenoperationen und die Speicherfunktionen sind in dem Mikroprozessor unterzubringen. Das Diagnose­ gerät hat den Vorteil, daß abgesehen von der Syn­ chronisierung und dem Mikrophon keine Kabel an das Kraftfahrzeug oder die zu untersuchende Kraftmaschine zu führen sind, so daß die Diagnose sehr einfach ohne weitere Eingriffe in die Maschine vonstatten gehen kann. Ein vollautomatischer Prüfablauf ist möglich, wenn über die Datenleitung 8 automatisch nach einer gewissen Zeit das nächste Fehlersignal aufgeschaltet wird. Zweckmäßigerweise erfolgt dies beim Abfallen der Rampe, die die Verzögerungszeit für das Verzögerungsglied 9 vorgibt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Diagnose bei periodisch arbeitenden Kraftmaschinen, mit einem Mikrophon zur Aufnahme der Geräusche der Kraftmaschine, einem Verzögerungsglied und mit Vorrichtungen zur Bildung der Kreuzkorrela­ tionsfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der periodisch arbeitenden Kraftmaschine synchroni­ siertes Fehlersignal gebildet wird, daß das Fehler­ signal über ein veränderbares Verzögerungsglied (9) geleitet wird und daraus zusammen mit dem mit dem Mikrophon (1) aufgenommenen Signal die Kreuzkorre­ lationsfunktion gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit rampenförmig ansteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Periode der Rampenfunktion sehr viel größer als der periodische Vorgang der Kraft­ maschine ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrelationsfunktion und/oder das Auftreten einer Korrelationsspitze angezeigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Fehlersignalen abgespeichert und abrufbar sind.

6. Vorrichtung zur Diagnose bei periodisch arbeitenden Kraftmaschinen, mit einem Mikrophon zur Aufnahme der Geräusche der Kraftmaschine, einem Verzögerungsglied und mit einer Vorrichtung zur Bildung der Kreuzkorrela­ tionsfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher­ glied (7) vorgesehen ist, das zumindest ein Fehlersignal enthält, daß das Speicherglied (7) von einem periodisch wiederkehrenden Signal der Kraftmaschine getriggert ist, daß das Fehlersignal einem veränderbaren Verzögerungs­ glied (9) zugeführt ist und daß das verzögerte Fehler­ signal zusammen mit dem vom Mikrophon (1) aufgenommenen Geräusch einem Multiplizierer (3) und einem dem Multi­ plizierer (3) nachgeschalteten Mittelwertbildner (10) zugeleitet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichervorrichtung (7) von einer Abtriebs­ welle (4) der Kraftmaschine getriggert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Mittelwertbildner (10) ein Komparator (11) folgt, der beim Überschreiten eines Schwellwertes ein Signal abgibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten des Schwellwertes die Verzö­ gerungszeit angezeigt ist.