DE69619772T2

DE69619772T2 - Brennkraftmaschine mit einem Durchblasgassensor und ein Verfahren zur Auswertung der Leistung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69619772T2
Application number: DE1996619772
Authority: DE
Inventors: Abhay P. Bhagwat; George M. Kuhns; Matthew L. Schneider; Alfred Schuppe
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1995-11-25
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: EP0777041A3; JPH09177530A; EP0777041B1; EP0777041A2; DE69619772D1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Durchblasgassensoren für ein Motorkurbelgehäuse und ein Verfahren zum Bewerten der Leistung eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Durchblasgassensor für ein Motorkurbelgehäuse, wobei der Sensor ein Venturi und einen Differenzdrucksensor benutzt, um den Volumenstrom der Durchblasgase zu messen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Idealerweise sollte der Druck innerhalb eines Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors auf einem Niveau gehalten werden, das gleich dem oder geringfügig kleiner als der Atmosphärendruck ist, um einen externen Ölaustritt durch die verschiedenen mit Dichtungen versehenen Verbindungen, wie z. B. diejenige zwischen dem Ventildeckel und dem Zylinderkopf, zu verhindern. Wie allgemein bekannt ist, wird bei einem Verbrennungsmotor ein sog. Durchblasgas in das Kurbelgehäuse als Folge von Austritten der Eingangs-Luft-Kraftstoffmischung und Verbrennungsgasen durch die Spielräume um die Kolbenringe herum während der Kompressions-Verbrennungs- und/oder Auslaßzyklen ausgestoßen. Wegen dieser Durchblasgase steigt der Kurbelgehäusedruck von Natur aus an, wodurch der Austritt von Öl aus dem Kurbelgehäuse gefördert wird. Ursprünglich wurde der Kurbelgehäusedruck zu der Atmosphäre hin über eine Ventilationsöffnung entlüftet, um dieses Problem zu lösen.
In jüngerer Zeit haben Umweltbedenken vorgeschrieben, daß die Durchblasgase in dem Kurbelgehäuse in den Verbrennungsraum zurückgeleitet werden, anstatt sie in die Atmosphäre freizulassen. Bei solchen geschlossenen Kurbelgehäuse-Ventilations (CCV)-Systemen wird das Durchblasgas durch Verbrennen dieser Gase zusammen mit der Einlaß-Luft-Brennstoffmischung rezirkuliert.
Hochleistungs- und PS-starke Verbrennungsmotoren laufen unter rauhen und manchmal widrigen Bedingungen, wobei eine Motorausfallzeit teuer und eine Wartung nicht immer verfügbar ist. Ein gutes Verfahren zum Überprüfen des "Zustandes" eines Motors besteht darin, den Strom der Kurbelgehäuse-Durchblasgase periodisch oder vorzugsweise fortwährend zu überwachen. Je größer die Menge der um die Kolben herum flüchtigen Durchblasgase ist, desto schlechter ist der Zustand des Motors. Deshalb kann man durch Feststellen der Durchblasgasmenge in einem Motor katastrophale Ausfälle (d. h. eine rapide Zunahme der Durchblasgasmenge) aufspüren oder die Motorabnutzung über die Zeit gesehen, überwachen, um vorauszusagen, wann der Motor eine Überholung benötigt (d. h. eine langsam zunehmende Durchblasgasmenge).
Ein guter Weg um das Volumen des in das Kurbelgehäuse eintretenden Durchblasgases zu messen, besteht darin, den Druck dieser Gase in dem Kurbelgehäuse zu messen. Jedoch lassen es geschlossene Kurbelgehäuse-Ventilationssysteme nicht zu, daß irgendwelche Kurbelgehäusegase über eine Öffnung entlüftet werden, was notwendig wäre, um den Kurbelgehäusedruck zu messen. Es besteht daher ein Bedarf an einem alternativen Weg, um die Menge des in das Motorkurbelgehäuse eintretenden Durchblasgases zu messen und diese Informationen zu sammeln, um Beurteilungen des Motorzustandes zu machen. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diesen Bedarf zu decken.
Die US-A-3 862 624 offenbart einen Motor, bei dem Sauerstoff und ein Überschuß an Wasserstoff als Kraftstoff verwendet wird, und der ein im wesentlichen geschlossenes Auslaßsystem hat, das den gasförmigen Teil des Ausstoßes rezirkuliert und ihn mit einer frischen Gaszufuhr und rezirkuliertem Durchblasgas vermischt. Ein Strömungsmesser ist für die Mischung aus rezirkuliertem Auslaßgas, frischem gasförmigen Brennstoff und Durchblasgas vorgesehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Motor mit einem Sensor für ins Kurbelgehäuse durchblasendes Gas gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beansprucht.
Bei einem geschlossenen Kurbelgehäuse-Ventilationssystem läßt man Kurbelgehäusegase durch ein Venturi strömen, das Hochdruck- und Niederdruckzapfstellen enthält. Die Hochdruck- und Niederdruckzapfstellen sind mit einem Differenzdrucksensor verbunden, der ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu dem Volumenstrom der Kurbelgehäusegase durch das Venturi ist. Die Verwendung eines Venturis in Verbindung mit einem Differenzdrucksensor schafft einen Weg mit einem geringen Widerstand für den Strom der Kurbelgehäusegase und gestattet eine fortwährende Überwachung des Durchblasens, ohne die Betriebsdruckgrenzen von verschiedenen Öldichtungen zu übersteigen. Ein solcher Sensor ist besonders für geschlossene Kurbelgehäuse-Ventilations (CCV)-Systeme geeignet, da er nicht verlangt, daß die Kurbelgehäusegase zu der Atmosphäre hin entlüftet werden (aber er arbeitet auch gut mit offenen Systemen).
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Bewerten der Leistung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 8 bereitgestellt.
Bevorzugte Merkmale des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 9 bis 11 beansprucht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1a zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform des Venturis der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1b zeigt eine Endansicht des Venturis von Fig. 1.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Venturi von Fig. 1, wobei der Differenzdrucksensor darauf angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Venturis und des Differenzdrucksensors von Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Endansicht des Venturis und des Differenzdrucksensors von Fig. 2.
Fig. 5 zeigt ein Schaubild des Differenzdruckes als eine Funktion der Stromdurchleitungsfunktion des Venturis von Fig. 2.
Fig. 6 zeigt ein Schaubild des Spannungsausgangssignals des Differenzdrucksensors von Fig. 2 als eine Funktion des Luftstromes durch das Venturi.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel bezug genommen und ein bestimmter Wortlaut verwendet, um es zu beschreiben. Dennoch versteht sich, daß damit keine Beschränkung des mit den Ansprüchen beanspruchten Schutzes beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen bei der dargestellten Vorrichtung und solche weiteren Anwendungen der Erfindung, wie sie hier dargestellt und mit den Ansprüchen beansprucht ist, in Betracht gezogen werden, wie sie normalerweise einem Fachmann des Gebiets, auf das sich die Erfindung bezieht, einfallen würden.
Wenn im folgenden Ausdrücke wie "oben" und "unten" verwendet werden, wird unterstellt, daß der Kolben so ausgerichtet ist, daß seine Achse vertikal ist und das Kurbelgehäuse unter dem Kolben angeordnet ist. Diese Hypothese dient nur dazu, die Beschreibung zu vereinfachen und impliziert daher nicht, daß der Kolben tatsächlich so ausgerichtet ist, wenn er in einem Verbrennungsmotor angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet das Feststellen von Kurbelgehäuse-Durchblasgasen durch Messen des Volumenstromes dieser Gase und nicht das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, bei dem der Druck dieser Gase gemessen wird. Der Volumenstrom der Durchblasgase wird dadurch erzielt, daß ein Teil dieser Gase durch ein Venturi geleitet wird, das eine Hochdruck- und eine Niederdruckzapfstelle hat. Ein Differenzdrucksensor ist dann an der Hoch- und Niederdruckzapfstelle befestigt, um die Druckdifferenz zwischen den Zapfstellen zu messen. Der Differenzdruck wird auf den Volumenstrom der Durchblasgase durch das Venturi bezogen und somit auf den Volumenstrom der Durchblasgase um die Motorkolben herum. Sowohl die augenblickliche Messung dieses Volumenstroms als auch die geschichtliche Trendanalyse ergeben nützliche Informationen für das Bestimmen des Zustandes des Motors sowie um zukünftige Wartungsbedürfnisse vorauszusagen. Der Sensor wird daher Daten ausgeben, die für eine Trendanalyse geeignet sind, um eine Diagnose und eine Prognose zu unterstützen, und dazu verwendet werden können, einen katastrophalen Ausfall zu vermeiden.
In Fig. 1a ist ein Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines Venturis der vorliegenden Erfindung dargestellt und global mit 10 bezeichnet. Das Venturi 10 enthält ein im Großen und Ganzen zylindrisches Venturi-Gehäuse 12, an dem ein Einlaßmaul 14 und ein Auslaßmaul 16 befestigt sind. Das Einlaßmaul 14 enthält einen Schlauchverbindungsnippel 18, während das Auslaßmaul 16 einen Schlauchverbindungsnippel 20 enthält. Kurbelgehäusegase können somit durch das Venturi 10 über einen geeigneten Schlauch (nicht gezeigt) geleitet werden, und Kurbelgehäusegase, die aus dem Venturi 10 austreten, können zurück zu dem Kurbelgehäuse über einen zweiten geeigneten Schlauch (nicht gezeigt) geleitet werden. Das Venturi 10 ist vorzugsweise aus Aluminium, Stahl oder einem technischen thermoplastischen Spritzgußmaterial oder irgendeinem anderen Material hergestellt.
Die Abmessungen des Venturis 10 hängen von der Motorgröße ab, mit welcher das Venturi verbunden ist. Die gegebenen Messungen des Venturis 10 der Fig. 1a werden bei einem K50- Dieselmotor bevorzugt verwendet, der von der Cummins Engine Company, Kolumbus, Indiana, hergestellt wird. Weil das Venturi die Durchflußgeschwindigkeit der Kurbelgehäusegase durch das Venturi wirksam verstärkt, sind verschiedene Venturi-Größen für verschiedene Motorengrößen geeignet.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1a hat das Venturi 10 ein Innendurchmesser des Einlaßmaules 14 von 1 Zoll (25,4 mm). Das Auslaßmaul 16 hat auch einen Innendurchmesser von 1 Zoll (25,4). Die Venturi-Engstelle 22 hat einen Innendurchmesser von 0,425 Zoll (10,795 mm). Die Abmessungen für die anderen Teile des Venturis 10 sind in Fig. 1a dargestellt. Eine Hochdruckzapfstelle 24 ist von der Außenfläche des Venturi-Gehäuses 12 zu der Einlaßbohrung 26 gebildet, die sich durch das Einlaßmaul 14 erstreckt. Auf ähnliche Weise ist eine Niederdruckzapfstelle 28 von der Außenfläche des Venturi-Gehäuses 12 zu der Venturi-Engstelle 22 gebildet.
In Fig. 2 ist ein Differenzdrucksensor 30 mit dem Venturi- Gehäuse 12 mit Hilfe von vier Schrauben 32 verbunden, die in das Gehäuse 12 eindringen. Der Differenzdrucksensor 30 ist vorzugsweise ein regelbarer kapazitiver Auf-Keramik-Differenzdrucksensor, wie das Modell P604, das von Kavlico, Moorepark, Kalifornien, hergestellt wird, aber jede andere Art von Differenzdrucksensor kann bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Wie in dem Querschnitt der Fig. 3 dargestellt ist, ist der Differenzdrucksensor 30 an dem Venturi-Gehäuse 12 derart befestigt, daß die Hochdruckzapfstelle 24 zu dem Einlaß 34 zu der Hochdruckseite des Differenzdrucksensors 30 ausgerichtet ist. Ebenso steht die Niederdruckzapfstelle 28 mit dem Einlaß 36 der Niederdruckseite des Differenzdrucksensors 30 in Verbindung. Der Differenzdrucksensor ist vorzugsweise vom Naß-Trocken-Typ, daher enthält die Niederdruckseite des Sensors ein Filterelement 38, um zu verhindern, daß Flüssigkeit, wie unverbrannter Kraftstoff und Öl, in die Niederdruckseite des Differenzdrucksensors 30 eintritt. Das Ausgabesignal des Differenzdrucksensors 30 ist eine Spannung, die zu dem Differenzdruck zwischen der Hochdruckzapfstelle 24 und der Niederdruckzapfstelle 28 proportional ist. Diese Ausgangsspannung wird einem mehrpoligen elektrischen Stecker 40 zugeführt. Der Stecker 40 nimmt außerdem die Eingangsspannung an, die dazu verwendet wird, den Differenzdrucksensor 30 mit Energie zu versorgen.
Das Venturi 10 der Fig. 1a ist in der Lage, mehr als 50 tatsächliche Kubikfuß pro Minute (ACFM) (1,4 cm³/min) an Luft oder Kurbelgehäusegas durchzulassen, obwohl die maximale Durchflußmenge ungefähr 26 ACFM (0,728 cm³/min) für den Motor Modell K50 ist, für den das Venturi 10 konstruiert wurde. Eine Durchflußmenge von 26 ACFM (0,728 cm³/min) resultiert in einer Wasserdruckdifferenz von ungefähr 30 Zoll (760 mm), die sich zwischen den Druckzapfstellen 24 und 28 entwickelt. Dies ist in dem Schaubild der Fig. 5 dargestellt, das den zwischen den Druckzapfstellen 24 und 28 des Venturis 10 als eine Funktion des Gasstromes durch das Venturi 10 entwickelten Differenzdruckes darstellt. Dieses Schaubild zeigt, daß die Durchleitungsfunktion des Gasstromes gegenüber dem Differenzdruck für das Venturi 10 nicht linear ist.
Die Kombination aus Venturi-Gehäuse 12 und Differenzdrucksensor 30 ist vorzugsweise in einer im wesentlichen vertikalen Ausrichtung angeordnet, um das Gas aus dem Venturi herausströmen zu lassen, um einen Stau und eine Verunreinigung innerhalb des Differenzdrucksensors 30 zu verhindern. Ein solcher Stau würde den gemessenen Druck verändern und zu Ungenauigkeiten bei der Messung des Kurbelgehäusegasstromes führen. Der Differenzdrucksensor 30 ist an dem Venturi- Gehäuse 12 mittels einer geeigneten Dichtung angebracht, die eine luftdichte Dichtung zwischen dem Differenzdrucksensor 30 und der Hochdruckzapfstelle 24 und der Niederdruckzapfstelle 28 bildet.
In Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung des Differenzdrucksensors 30 eine nicht-lineare Funktion des mittleren Volumenstromes ist, die dem tatsächlichen Differenzdruck, der sich zwischen der Hoch- und Niederdruckzapfstelle des Venturis entwickelt, folgt. Die Eingangsspannung zu dem Differenzdrucksensor 30 beträgt 5,0 ±5% VDC. Weil der Sensor 30 in einem Verhältnis zu der Eingangsspannung steht, nimmt die in Fig. 6 dargestellte Ausgangsspannung 5,0 VDC der Eingangsspannung an. Wie der Fachmann weiß, läßt die Durchleitungsfunktion der Fig. 6 ein Motorüberwachungssystem zu, um die Durchflußmenge der Kurbelgehäusegase durch das Venturi durch Überwachen der Ausgangsspannung des Differenzdrucksensors 30 zu bestimmen. Diese Information kann auf verschiedene Art von dem Motorüberwachungssystem verwendet werden. Beispielsweise kann die Ausgangsspannung des Differenzdrucksensors 30 für eine rapide Zunahme des Durchblasgasstromes überwacht werden, die einen katastrophalen Ausfall in dem Motor anzeigt. Die Größe der rapiden Zunahme, die notwendig ist, um einen katastrophalen Ausfall zu signalisieren, kann zu einem kalibrierbaren Schwellenwert innerhalb des Motorüberwachungssystems gemacht werden und ist von der Motorgröße abhängig. Beim Feststellen einer solchen rapiden Zunahme des Durchblasgasstromes kann ein Anzeigelicht verwendet werden, um den Fahrer auf die Situation aufmerksam zu machen. Die Ausgangsspannung des Differenzdrucksensors kann auch dazu verwendet werden, die Durchflußmenge des Kurbelgehäusegases über die Zeit hinweg aufzuzeigen, um die Abnutzung des Motors aufzuzeichnen und somit vorherzusagen, wann der Motor eine Überholung benötigt. Das Motorüberwachungssystem kann eine gefilterte Linearprojektion benutzen, um zu bestimmen, in welchem Zeitpunkt die Motordurchblasgase soweit zugenommen haben, daß die maximale Leistung von dem Motor nicht mehr zur Verfügung steht. Eine geeignete Wartung kann dann für das Fahrzeug vor diesem Zeitpunkt eingeplant werden.
Es ist somit für die Fachleute klar, daß die vorliegende Erfindung eine nützliche Messung der Motorkurbelgehäuse- Durchblasgase gestattet, die zuvor bei geschlossenen Kurbelgehäuseventilationssystemen nicht verfügbar war. Die Messung dieser Durchblasgase kann Informationen bereitstellen, um katastrophale Ausfälle innerhalb des Motors anzuzeigen sowie vorherzusagen, wann eine Hauptuntersuchung des Motors in der Zukunft erforderlich sein wird. Eine solche Information kann dazu verwendet werden, die Ausfallzeit des Motors auf ein Minimum zu reduzieren, und um teuere katastrophale Motorausfälle zu verhindern.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorhergehenden Beschreibung dargestellt bzw. beschrieben wurde, sind dieselben so zu betrachten, daß sie nur erläuternd und nicht beschränkend sind, versteht sich, daß nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben wurde, und daß es erwünscht ist, alle Änderungen und Abwandlungen, die innerhalb des Umfanges des mit den Ansprüchen beanspruchten Schutzes liegen, zu schützen.

Claims

1. Motor mit einem Sensor für ins Kurbelgehäuse durchblasendes Gas und einem Motorkurbelgehäuse, das Durchblasgase über einen Gasströmungsweg empfangen kann;

gekennzeichnet durch

ein Venturi (10), das in dem Gasströmungsweg derart angeordnet ist, daß die Durchblasgase in Betrieb durch das Venturi (10) strömen und von dem Venturi (10) aus zu dem Kurbelgehäuse zurückgeleitet werden;

eine Hochdruckzapfstelle (24), die sich von außerhalb des Venturis (10) bis zu einem Innenraum (26) des Venturis (10) erstreckt;

eine Niederdruckzapfstelle (28), die sich von außerhalb des Venturis bis zu dem Innenraum (22) des Venturis erstreckt; und

einen Sensor (30), der mit dem Venturi (10) verbunden und wirksam ist, um einen Differenzdruck zwischen der Hochdruckzapfstelle (24) und der Niederdruckzapfstelle (28) zu messen.

2. Sensor für ins Motorkurbelgehäuse durchgeblasenes Gas gemäß Anspruch 1 in einer Brennkraftmaschine, mit

mindestens einem Zylinder;

mindestens einem Kolben, der verschiebbar in dem mindestens einen Zylinder angeordnet ist, um eine Brennkammer über dem Kolben zu begrenzen;

wobei das Kurbelgehäuse mit dem mindestens einen Zylinder verbunden ist, wobei ein Innenraum des Kurbelgehäuses in Strömungsverbindung mit einem Innenraum des mindestens einen Zylinders unter dem mindestens einen Kolben über mindestens dem Gasströmungsweg steht, wobei Verbrennungsdurchblasgase, die an dem mindestens einen Kolben vorbeiströmen, in das Kurbelgehäuse eintreten können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der sich die Hochdruckzapfstelle (24) von außerhalb des Venturis bis zum Innern einer Einlaßbohrung (26) des Venturis (10) erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der sich die Niederdruckzapfstelle (24) von außerhalb des Venturis bis zum Innern einer Venturiengstelle (22) des Venturis (10) erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Sensor (30) einen Naß-Trocken-Differenzdrucksensor aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Sensor (30) einen regelbaren kapazitiven Auf- Keramik-Drucksensor aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Venturi (10) im wesentlichen vertikal angeordnet ist, so daß Gas aus dem Venturi (10) ausströmen kann.

8. Verfahren zum Bewerten der Leistung einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) Leiten von mindestens einem Teil der in ein Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine eintretenden Durchblasgase durch ein Venturi (10) und zurück zu dem Kurbelgehäuse, wobei das Venturi (10) eine Hochdruckzapfstelle (24) und eine Niederdruckzapfstelle (28) hat;

(b) Messen einer Druckdifferenz zwischen der Hochdruckzapfstelle (24) und der Niederdruckzapfstelle (28); und

(c) Ausgeben eines Signals, das zu der gemessenen Druckdifferenz proportional ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Schritt (b) durch einen Naß-Trocken-Differenzdrucksensor (30) ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Schritt (b) durch einen regelbaren kapazitiven Auf-Keramik-Drucksensor (30) ausgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Signal ein Spannungssignal ist.