NO145550B - Apparat til maaling av oeyeblikksverdier for trykket i en stempelforbrenningsmotors sylindre og til beregning av det indikerte middeltrykk - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat til måling av øyeblikksverdier for trykket i en stempelforbrenningsmotors sylindre og til beregning av det indikerte middeltrykk ved integrasjon av trykket som funksjon av stempelveien, omfatt-

ende en transduktor til avtasting av sylindertrykket, med intervaller som fastlegges av en stasjonær føler som samvirker med markeringer på en del av maskinens drivverk, samt en elektronisk kalkulator til hvilken transduktoren og føleren er koplet.

Et kjent apparat av denne art som leveres av det norske firma Autronica A/S, Trondheim, omfatter et lagrings-oscilloskop for. opptegnelse av hver sylinders arbeidskurve,

dvs. sammenhengen mellom sylindertrykk og stempelvandring,samt et display som kan vise dels det av den elektroniske kalkulatoren beregnede, indikerte middeltrykk, dels trykket på forutbestemte punkter av arbeidskurven, såsom kompresjonstrykket og det maksimale forbrenningstrykk.

I "det kjente apparatet finnes markeringene, som bestemmer trykktransdukterens avtastingstidspunkter, på et rundt-gående bånd som er spent omkring veivakselen på dennes ene ende, slik at avtastingen skjer ved forutbestemte vinkelstillinger av den aktuelle enden av veivakselen. Det kreves derfor et elektronisk utstyr som for hver sylinder kan foreta en omregning av veivtappvinkelen til stempélposisjon, hvilket kompliserer apparatet. En annen vesentlig mangel ved det kjente apparatet består i at veivakselen under belastning er underkastet vrid-ningsdeformasjoner, dels statiske deformasjoner som varierer med den øyeblikkelige belastning av motoren, og som generelt vokser med avstanden fra markeringene til den sylinder hvor trykket måles, dels dynamiske deformasjoner som fremkalles av veivakselens torsjonssvingninger hvis amplituder avhenger både av belastningen og av omdreiningstallet. Den herav betingede ubestemthet i rela-sjonen mellom veivvinkelen ut for markeringene og stempelposi-sjonen i de enkelte sylindre, fører til en tilsvarende usikkerhet i de avleste måleverdier. Ubestemtheten med hensyn til stempel-posisjonene i hvert av de øyeblikk da det utløses en triggerpuls for trykkmålingen, gjør seg i det kjente apparat særlig bemerket for toppdødpunktets vedkommende. Da beregningen av det indikerte middeltrykk foregår ved summering av de trykkverdier som innleses i kalkulatoren, skal de målte verdiene innleses med plussfortegn under ekspansjonslaget og minusfortegn under kompresjonslaget, dvs. at det i hvert av stempelets dødpunkter skal utføres et fortegnsskifte mellom trykktransduseren og kalkulatoren. En unøyaktighet i avtastingen i toppdødpunktet, som medfører at fortegnsskiftet på dette sted kommer bare ganske litt for tidlig eller litt for sent, bevirker en anseelig unøyaktig-het i det beregnede middeltrykk (ettersom det maksimale sylindertrykk jo opptrer i nærheten av toppdødpunktet). Det er konsta-tert at en "toppunktforskyvning" på bare 1° (målt som veiwinkel) ved et indikert middeltrykk på 10 bar gir en feil på over 6% i det béregnede middeltrykk, og ved lavere p.^ en sterkt stigende feil. Ved bruk av det kjente apparat foreskrives en forutgående bestemmelse av toppdødpunktstillingen, som består i at man tar eb såkalt "kompresjonsdiagram", dvs. et indikatordiagram ved avbrutt brenseltilførsel, slik at det ikke skjer tenning i sylinderen,

og for hver sylinder justerer et potensiometer i kalkulatoren, slik at apparatet viser et diagramareal null. I virkeligheten er kompresjonsdiagrammets areal imidlertid ikke null ved korrekt innstilling av toppdødpunktet, hvilket kan skyldes varmeutveksling mellom sylinderen og omgivelsene, og/eller lekkasje av gass fra sylinderen. Ved den foreskrevne justeringsmetode innfører man derfor i realiteten en feil på toppunktverdien som adderes til den ovenfor omtalte feil, som stammer fra drivverkets belast-ningsavhengige deformasjoner.

Oppfinnelsen tar sikte på å angi et apparat som muliggjør en vesentlig reduksjon av måleusikkerheten, og som samtidig er enklere enn det kjente apparat.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at hver sylinder har sitt eget sett markeringer som er anbragt på en maskindel som utenfor sylinderen er stivt forbundet med den til sylinderen hørende stempelstang, at markeringene slutter et stykke før det sted på maskindelen som svarer til stempelets bunndødpunkt, og at det i den elektroniske kalkulatoren inngår en omskifter som skifter fortegnet for transduserens måleverdi under passasjen av det markeringsfrie området, og en teller som igjen skifter fortegn for måleverdien etter mottagelsen av et forutbestemt antall signaler fra markeringsføleren.

Ved plassering av markeringene i direkte tilslutning til den enkelte sylinder og på en maskindel som utfører en med stempelets vandring identisk bevegelse, har man for hver sylinder etablert en umiddelbar sammenheng mellom hvert av de tids-punkter da det foretas en avtasting av trykket i den pågjeldende sylinder, og den stilling mellom stempelslagets dødpunkter som stempelet inntar på avtastingstidspunktet. Man unngår derved helt virkningene av veivakselensmer eller mindre uberegnelige dreiningsdeformasjoner og oppnår en hittil ukjent stor nøyaktighet av måleresultatet, enten det dreier seg om avtasting av trykket på utvalgte punkter av arbeidssyklusen eller beregning av middeltrykket under en arbeidssyklus• Det elektroniske utstyr for-enkles ved at det ikke skal foretas noen omregning fra veivakselen til de enkelte sylindrenes stempelposisjon. Ved den for oppfinnelsen karakteristiske gjennomførelse av de suksessive fortegnsskifter utnytter man det forhold at sylindertrykket omkring bunndødpunktet er praktisk talt konstant, og derfor ikke gir noe bidrag til indikatordiagrammets areal, slik at det maksimalt oppstår en helt uvesentlig feil ved å utelate trykkmåling i det markeringsfrie området. Ved å la det ene fortegningsskiftet foregå i dette området, har man et presist definert utgangspunkt for målingene under kompresjonsslagét,og neste fortegnsskift ved toppdødpunktet er fastlagt med samme nøyaktighet ved at telleren har mottatt et antall impulser fra markeringsføleren svarende til stempelets slaglengde.

Når det til hver sylinder hører et teleskoprør for stempelkjølemiddel, kan markeringene være anbragt på dette tele-skoprøret. Derved utnyttes en på forhånd eksisterende del av maskinen til anbringelse av markeringene, og da det normalt ikke opptrer vesentlige mekaniske spenninger i et slikt teleskoprør, kan markeringene frembringes ved bearbeidelse av rørets overflate, dvs. med høy presisjon.

Markeringene kan spesielt være utført som ekvidistante og innbyrdes like brede tenner på teleskoprørets overflate, og føleren kan være en induktiv føler. Ved denne utførelsesform får man to posisjonssignaler for hver passasje av en tann forbi føleren, nemlig henholdsvis ved forkanten og bakkanten, slik at trykkmålingene kan foretas med tilsvarende korte intervaller.

Føleren monteres hensiktsmessig i veggen av en tet-ningshylse, gjennom hvilken teleskoprøret er ført inn i motoren, og som er sentrert ved hjelp av røret. På dette sted av motoren er det lett adgang til å bringe føleren i umiddelbar nærhet av markeringene på teleskoprøret, og til å føre en signalledning ut fra føleren. Sentreringen av hylsen i forhold til røret, sikrer overholdelse av en ønsket avstand mellom rørets overflate og føleren.

Føleren kan være montert eksentrisk i en sylindrisk hylse som er dreibart lagret i en innsats som er fastgjort i tetningshylsens vegg. Derved er det lagd mulighet for å foreta en finjustering av følerens aksielle stilling i forhold til markeringene, og derved utligne lengdetoleranser i markeringenes plassering på røret og i forbindelse med røret og stempelet.

Omskifteren kan være styrt via en ELLER-kop1ing med to innganger, sluttet henholdsvis til telleren og til en forsinkelseskrets. Det vil da komme signal til fortegnsskiftet ved bunndødpunktet, hvis det før utløpet av forsinkelsesperioden ikke er kommet noe signal fra markeringsføleren, dvs. når denne står ut for det markeringsfrie området. Ved toppdødpunktet skal fortegnsskiftet derimot skje bare ved styring fra telleren. Dette volder normalt ingen vanskeligheter hvis apparatet skal arbeide innenfor et relativt begrenset område for motorens omdreiningstall, idet man på grunn av det nesten konstante sylindertrykk omkring bunndødpunktet kan velge det markeringsfrie området vesentlig lengre enn avstanden mellom to markeringssignaler. Som ytterligere sikkerhet mot en av forsinkelseskretsen frembragt feilaktivering av omskifteren ved toppdødpunktet, kan man imidlertid benytte en forsinkelseskrets hvis tidsforsinkelse er avhengig av motorens omdreiningstall.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til den delvis skjematiske tegningen, der

fig. 1 er et vertikalt snitt gjennom en totakts dieselmotor, utstyrt med en utførelsesform for måleapparatet ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 er et vertikalt snitt i vesentlig større måle-stokk gjennom et med markeringer for stempélvandringen for-

synt teleskoprør og en tilhørende pakkboks hvori det er inn-bygget en føler til avføling av markeringene.

Fig. 3 viser et blokkskjema for apparatet, og

fig. h viser et indikatordiagram for en av motorens sylindre.

I fig. 1 er det vist en sylinderseksjon av motoren, omfattende en sylinderforing 1' med tilhørende sylinderdeksel 2 og stempel 3, som ved hjelp av en stempelstang 4 er forbundet med et krysshode 5. Ved hjelp av en veivstang 6 er krysshodet 5 forbundet med motorens veivaksel 7- Et stempel-kjølemiddel tilføres fra en stasjonær fordeler 8 gjennom et loddrett teleskoprør 9, som er fast forbundet med krysshodet 5 og videre gjennom kanaler i krysshodet og stempelstangen 4 til stempelet 3-

I sylinderdekslet 2 er det innebygget en trykktransor 10 som avføler trykket i forbrenningskammeret 11 over stempelet 3 og avgir et analogt spenningssignal, hvis amplitude er proporsjonal med arbeidstrykket i kammeret 11, til en elektronisk kalkulator 12. Trykktransduktoren er fortrinnsvis av den piezoelektriske typen, men andre eggede transduktorer kan også benyttes, f.eks. basert på strain-gauge-teknikken.

Den utvendige overflaten på teleskoprøret 9 er for-synt med markeringer 13 i form av tverrgående "tenner", som er atskilt fra innfreste ekvidistante riller 14. Det er tenner 13 og spor lH på en lengde av teleskoprøret som er litt kortere enn stempelets 3 slaglengde, og til avfølihg av tennene er det anordnet en føler 15, fortrinnsvis en induktiv føler som på ikke nærmere vist måte. er festet i en vertikal fcrylse 16, som igjen er dreibart understøttet av en yt?re hylse 17 som er skrudd inn i veggen på en vertikal ?tetningsforing 18-som om-gir teleskoprøret 9. Tetningsforingen 18 er montert med radiell klaring i et ytre rør 19, slik at den fritt kan følge eventuelle tverrgående forskyvninger i teleskoprøret 9. Røret 19 er tett i forhold til en del av motorens stativ 20 ved hjelp av tetningsringer 21, og ved hjelp av en annen tetnings-ring 22 er den vertikale foringen 17 tett i forhold til stativdelen 20. Som det kan sees i fig. 2 er følerens 15 akse plassert eksentrisk i forhold til akselen for anleggsflaten mellom foringene 16 og 17. Ved dreining av foringene 16 kan man således foreta en finjustering av følerens 15 vertikale posisjon i forhold til markeringene 13 på teleskoprøret 9.

Det finnes ikke viste låseorganer til fastholdelse av foringen 16 etter dens justering.

Under stempelets 3 bevegelse opp og ned i motor-sylinderen utfører teleskoprøret 9 en med denne bevegelsen synkron bevegelse, hvorved markeringstennene 13 passerer tett forbi føleren 15- Hver passasje av en tann forbi føleren ut-løser to elektriske impulser, den første ved passeringen av tannens forkant og den andre ved bakkantens passasje. Disse impulser benyttes til styring av avfølingen av trykket i forbrenningskammeret 11. For å sikre tilveiebringelse av de nevnte to styreimpulser skal rillenes 14 dybde bare være så stor at spenningsnivåforskjellene eller impulsamplitudene i følerens 15 utgangssignal blir sikkert detekterbare. I praksis kan rilledybden være ca. 1,5 mm, mens bredden av tennene 13 kan være ca. 2 mm og bredden av rillene 14 ca. 4 mm. Dette gir en styreimpuls for hver tredje mm av stempelvandringen.

Som vist i fig. 3 ledes impulssignalet fra stempel-veiføleren 15 gjennom en forsterker 23 til en impulsformer 24, som som utgangssignal leverer et firkantsignal. Signalet fra trykkstransduktoren 10 ledes gjennom en forsterker 25 til en analog/digitalomsetter 26,hvor det analoge spenningssignal fra transduktoren omsettes til et digitalt utgangssignal. Omsetteren 26 er forbundet med impuls formerens 24 utgang, slik at det av motoren 10 målte trykk digitaliseres, hver gang det ankommer en impuls fra impuls formeren 24, dvs. hver gang stempelet 3 har beveget seg et stykke svarende til den halve delingen av tennene 13.

Siffersignalene fra omsetteren 26 overføres via en elektronisk omskifter 27 til en CPU-enhet 28 (Central Processing Unit), hvor signalene akkumuleres og behandles i overensstemmelse med det i enheten stående program. Slike enheter er alminnelig kjent og skal derfor ikke beskrives nærmere.

Enheten 28 har to innganger, den ene til mottagelse av siffersignaler opptatt under stempelets 3 kompresjnnslag, og den andre til mottagelse av siffersignalet opptatt under ekspansjonsslaget. Ved beregning av det indikerte middeltrykk, skal de førstnevnte signalene regnes med negativt fortegn og de sistnevnte med positivt fortegn. Den elektroniske omskifter 27 skal således frembringe et fortegnskrift hver gang stempelet står i ét 'av sine to dødpunkter, og; dette skjer på følgende måte.

Impuls formerens 24 utgang; er' forbundet til en for— sinkelseskrets 29 og til en teller 30,. hvis respektive ut-ganger er-forbundet til hver sin inngang av en to-input ELLER-kre.ts 31,. hvis utgang er forbundet til omskifteren 27. Utgangssignalet fra forsinkelseskretsen 29 er videre sluttet til enheten 28 som taktstyres av signalet fra forsinkelseskretsen..

Som nevnt ovenfor finnes det stempelveimarkeringer i form av tenner- 13" og- riller- 14 på en lengde av teleskoprøret 9 som er litt kortere enn stempelets 3 s laglengde.. Den nederste tannen 13 står ut for- føleren 15 når stempelet be-finner seg umiddelbart under toppdødpunktet. I den motsatte ende av teleskoprøret er der et. markeringsfritt område som. i praksis kan svare til en vinkeldre-ining av veivakselen' 7 på' ca. 25° på hver side av bunndødpunktet. I dette området av stempelvandringen avgir føleren. 15 således ingen signaler. Dette området svarer på indikatordiagrammet i fig. 4 til stempelvandringen mellom bunndødpunktet 32 og et. punkt 33 hvor trykket i forbrenningskammeret 11 er praktisk talt konstant, idet sylinderens spyieporter 34 (se fig.. 1) under ekspansjons.slaget er åpnet av s/tempelet noe før punktet 33 og tilsvarende under kompres johss-laget først lukker et stykke etter punktet 33. Det oppstår- derfor ikke noen feil i beregningen av det indikerte middeltrykk,, når man. på diagrammet utelafeer området mellom punktene- 3;2 og 33-Forsinkelseskretsen 29' innstille» til å gi en tidsforsinkelse, som er- større enn det maksimale tidsintervall mellom to posis j:onssigqaler fra føleren 15 i det området av teleskoprøret, hvor det finnes- marke rings tenner 13. Under denne del av stempelvandringen vil det således ikke komme noen ufegangss;ignaler fra kretsen 29 •■ I det markerings frie området mellom p.unktene 32 o>g 32 på indikatordiågrammet vil kretsen 29 derimot avgi et signal til ELLER-kret.s.en 31 som derved avgir et utgangssignal og stiller omskifteren 27 om til den motsatte inngang på enheten 28. Omskiftingen i toppdødpunktet ;skjer ved at telleren 30 er innstilt til å avgi et utgangssignal når den fra impulsformeren 24 har mottatt et antall signalimpulser svarende til det dobbelte antall tenner 13

på teleskoprøret 9 (idet det som ovenfor nevnt avgis to' posisjonssignaler for hver passasje av en tann). Telleren 30 starter ved den forutgående omskifting i bunndødpunktet, og når den avgir sitt utgangssignal til ELLER-kretsen 31, nulli-stilles den påny.

Enheten 28 behandler som ovenfor nevnt de i dens lagre akkumulerte verdier for trykket i forbrenningskammeret 11 og utleverer en gang under hver arbeidssyklus, f.eks. i forbindelse med et fortegnsskifte, resultatet av beregningen som vises på det til apparatet hørende display 36. Samtidig tilbakestilles enheten 28 og er således klar til neste arbeidssyklus.

Da det finnes markeringstenner 13 umiddelbart opp til det sted på teleskoprøret 9 som svarer til stempelets toppdødpunkt, og da man har muligheter for å foreta en finjustering av følerens 15 stilling i forhold til tennene, er det mulig å foreta en avtasting av trykket i forbrenningskammeret 11 tett opptil dødpunktet. Den maksimale posisjons-feil blir her ca. en halv tanndeling, hvilket for en motor med en slaglengde på l600 mm og den ovenfor omtalte tanndeling på 6 mm, svarer til. en feil på maksimalt ca. 2 promille på det indikerte middeltrykket.

For den ovenfor omtalte' motor med 1600 mm slaglengde svarer et markeringsfritt område på 3 mm på hver side' av toppdødpunktet til en veivvinkel på ca. 8,8°, dvs-, vesentlig mindre enn den vinkel på ca. 50° ved bunndødpunktet. hvor for-tegnskiftet skjer under styring av forsinkelseskretsen 29. Under -forutsetning av at det beskrevne måleapparatet bare skal kunne fungere innenfor et intervall av motorens omdreiningstall hvor det maksimale omdreiningstallet er rundt regnet tre ganger det minimale, kan man vedgå velge verdi av kretsens 29 tidsforsinkelse, som ved høyeste omdreiningstall er større enn tre ganger 8,8°, dvs. ca. 27° veivvinkel - og samtidig mindre enn 50° - med sikkerhet oppnå at forsinkelseskretsen 29 ikke utløser noe fortegnsskifte ved toppdødpunktet, men bare ved bunndødpunktet. Skal apparatet benyttes ved omdreiningstall innenfor et vesentlig større intervall, kan tidsforsinkelsen gjøres avhengig av motorens omdreiningstall, f.eks. ved at utgangssignalet fra forsterkeren 23 ved hjelp av en frekvens/spenningsomsetter omformes til en frekvens-avhengig spenning, hvis spissverdi benyttes i forsinkelseskretsen.

Fortegnsskiftingen ved toppdødpunktet kunne på lig-nende måte være styrt av en spesiell forsinkelsesrkets. Då tidsforsinkelsen på denne krets må være vesentlig kortere enn ved bunndødpunktet på grunn av den mindre veivvinkelen som er til rådighet for skiftingen, vil det som regel være nød-vendig å la den være avhengig av motorens omdreiningstall. Ved anvendelse av en forsinkelseskrets i stedet for en teller, blir fortegnsskiftingen ved toppdødpunktet uavhengig av den nøyaktighet med hvilken markeringene er utført og plassert.

Det vil forstås at enheten 28 på forøvrig kjent måte kan innrettes til å vise ønskede øyeblikksverdier av trykket i sylinderkammeret, svarende til utvalgte punkter av arbeids-diagrammet ifølge fig. 4, f.eks. kompresjonstrykket og det maksimale forbrenningstrykk. Normalt vil apparatets be-handlingsenhet 28 med de umiddelbart tilsluttede elektroniske komponenter være felles for hele motoren, mens det for hver sylinder finnes en trykktransduktor 10 og en føler 15 som manuelt kan koples til og fra resten av apparatet.

Ved beregning av det indikerte middeltrykk kan man om ønsket foreta integrasjon av sylindertrykkene over flere suksessive omdreininger av veivakselen, i steedet for som be-skrevet ovenfor bare én omdreining, og deretter i beregnings-enheten 28 regne ut en middelverdi. EnhefceriF28 og displayet 36 kan også være innrettet til å vise f.eks. størrelsen av . ekspansjonsarbeidet (arealet under ekspansjonskurven i. fig. 4) og kompresjonsarbeidet separat. Endelig kan enheten også kombineres med et oscilloskop som direkte opptegner et indikatordiagram som viser sylindertrykket som funksjon av stempelbevegelsen, eller som funksjon av tiden under en arbéidssyklus. Apparatet kan også utformes slik at det gir alarm i tilfelle av feil, f.eks. ved registrering av urimelige måleverdier etc.

Claims (8)

1. Apparat til måling av øyeblikksverdier for trykket i en stempélforbrenningsmotors sylindre og til beregning av det indikerte middeltrykk ved integrering av trykket som funksjon av stempelveien, omfattende en transduser (10J" til avtasting av syUndertrykket, med intervaller som fastlegges av en stasjonær føler (15) som samvirker med markeringer på en del av maskinens drivverk, samt en elektronisk kalkulator til hvilken transduseren og føleren er koplet, karakterisert ved at hver sylinder har sitt eget sett av markeringer (13) som er anbragt på en maskindel (9), som utenfor sylinderen er stivt forbundet med den til sylinderen hørende stempelstang (4), at markeringene (13) slutter (ved 33) et stykke før det sted på maskindelen (9) som svarer til stempelets (3) bunndødpunkt (32), og. at det i den elektroniske kalkulatoren inngår en omskifter (27) som skifter fortegn for transduserens (10) måleverdi under passasje av det markeringsfrie området (32-33), og en teller (30) som igjen skifter fortegn for måleverdien etter mottagelse av et forutbestemt antall signaler fra føleren (15).

2. Apparat ifølge krav 1, og hvor det til hver sylinder hører et teleskoprør for stempelkjølemiddel, karakterisert ved at markeringene (13) er anbragt på teleskoprøret (9).

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at markeringene er utført som med lik avstand plassert og innbyrdes like brede tenner (13) på teleskoprørets (9) overflate, og at føleren (15) er en induktiv føler.

4. Apparat ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at føleren (15) er montert i veggen på en tet-ningshylse (18) gjennom hvilken teleskoprøret (9) er ført inn i motoren, og som er sentrert ved hjelp av røret.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at føleren (15) er montert eksentrisk i en sylindrisk hylse (16) som er dreibart lagret i en innsats (17) som er festet i tetningshylsens (18) vegg.

6. Apparat ifølge et eller flere av kravene fra 1-5, karakterisert ved at omskifteren styres via en ELLER-kopling (31) med to innganger, sluttet henholdsvis til telleren (30) og tiil en forsinkelseskrets (29) •

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at forsinkelseskretsens (29) tidsforsinkelse er avhengig av motorens omdreiningstall.

8. Apparat ifølge et eller flere av kravene fra 1-7, karakterisert ved at det markeringsfrie området (32-33) svarer til ca. 25 veivgrader på hver side av bunndød-punktet.