SE520435C2 - Sätt och anordning för att bestämma cylindertryck vid en förbränningsmotor - Google Patents

Description

itä 30 520 435 2 svåra en tolkning av densamma. Olika typer av filter har provats, men har inte gett tillfredsställande resultat.

Uppfinningens ändamål Syftet med uppfinningen är att göra det enklare och säkrare än tidigare att på basis av analys av motorvibrationer erhålla tillförlitlig information om cylindernycket i en motor. Ännu ett syfte är att möjliggöra detta med enkla och billiga medel.

Redogörelse för uppfinningen Dessa syften uppnås dels med hjälp av ett sätt som givits de i patentkrav 1 angivna särdragen, och dels med hjälp av en anordning som givits de i patentkrav 9 angivna särdragen.

Genom att utnyttja en ny och speciell filtrering vid analys av en vibrationssignal blir det enligt uppfmnningen möjligt att på ett tillförligt sätt analysera en vibrationssig- nal vid dess mest intressanta avsnitt, nämligen kring det övre dödläget för kolven i cylindem. Den nya typen av filtrering gör det möjligt att få fram en stabil vibra- tionssignal som efter omvandling till trycksignal kan ge säkra tryckbestärnningar, vilka kan utnyttjas för bestämning av tillståndet i motorn.

Ytterligare fördelar och särdrag hos uppfmningen framgår av efterföljande beskriv- ning och patentkrav.

Uppfmningen förklaras i det följande närmare med hjälp av ett på bifogade ritning visat utföringsexempel.

Figgbeskrivning På ritningen visar 10 15 20 iß 30 520 435 3 fig. l schematiskt en motor försedd med vibrationsgivare, fig.2 en anordning för behandling av en signal från en vibrationsgivare, och flg.3 ett diagram över en vibrationssignal och en filterfuriktion.

Beskrivning av utföringsexemnel l fig.l visas schematiskt en 6-cylindrig dieselmotor l, vilken är försedd med ett svänghjul 2 och ett antal vid motorns cylinderhuvud 3 placerade vibrationsgivare 4, en vid var och en av motoms cylindrar. Dessa vibrationsgivare 4, läinpligen accele- rometrar av piezoelektrisk typ, har till uppgift att registrera vibrationer förorsakade av tryckpulser i respektive cylinder då cylindems kolv befmner sig i närheten av sitt övre dödläge i samband med övergång från kompression till expansion då bränslet tänds i cylindern. Med hjälp av en vid svänghjulet 2 placerad lägesgivare 5 bestäms i vilken av cylindrama som kolven befinner sig vid sitt övre dödläge och vid vilken cylinder som registrering således skall ske.

Under drift uppstår komplicerade vibrationer i motorn 1, något som gör det svårt att tolka vibrationssigiialen. I fig.2 visas en lämplig, enligt uppfinningen utförd anord- ning 10 för behandling av vibrationssigrialen. En från en vibrationsgivare 4 erhållen vibrationssignal S påföres ett enligt uppfinningen utformat filter 6. Härigenom er- hålls en vägd vibrationssignal U som påföres ett block 7, där den omvandlas till en trycksignal P, representerande hur trycket i den aktuella cylindern varierar under kolvens rörelse kring det övre dödläget. Den erhållna trycksignalen P lagras i ett re- gister 8 för kommande analys.

Av fig.3, där den horisontella axeln visar aktuell vevaxelvinkel och där den vänstra vertikala axeln visar uppmätt acceleration, framgår hur en vibrationssignal S varierar i storlek och frekvens kring kolvens övre dödläge TDC, markerat med en vertikal linje vid värdet noll på vevaxelvinkeln CA. Denna vibration uppkommer dels på grund av kompression vid kolvens uppåtgående rörelse och dels på grund av tryck- pulser i samband med antändning av bränslet. Vibrationssigrialen S är här av intres- 10 15 20 25 30 520 435 4 se endast under en begränsad del av vevaxelvarvet, och i detta exempel begränsas studiet till ett område mellan en vinkel ca 60° före det övre dödläget och en lika stor vinkel efter det övre dödläget, således totalt ca 120°. Detta område kan naturligtvis väljas större eller mindre, alltefter behov.

Filtret 6 åstadkommer såsom nämnts en viktning av vibrationssignalen. Den använda viktningsfiuiktionen W,(t) visas såsom en kurva Wz i fig.3, enligt den högra verti- kala axeln. Denna viktningsfimktion har i det angivna området tre olika avsnitt TO , TE och TE, där avsnitten TO och TE tillsammans är lika långa som avsnittet TE , varigenom erhålls en symmetri kring det Övre dödläget TDC. Viktningsfinilctionen W,(t) kan skrivas enligt följande: W,(t) = [Zero_Padding, WH(t), WE(t)] (1) I denna ekvation representerar Zero_Padding avsnittet TO där funktionen WZ (t) har värdet noll. Funktionerna WH(t) och WE(t) kan uttryckas på följande sätt: wHa) = 2 511m n om, (z) Wßü) = ß “33/ “ (3) varvid för (2) gäller att O S t I är en tidskonstant som är proportionell mot TE.

Avsnittet TE , med funktionen WH(t), utgör ett halvt Harming-fönster, vars längd här uppgår till ca 10 - 20%, lärnpligen ca 15% av längden på avsnittet TE , som utgör ett exponential-fönster. Dessa filtertyper och filterfunktioner är av i och för sig välkänd standardtyp och behandlas därför inte närmare i detta sammanhang. Genom att kombinera ett halvt Hanning-fönster med ett exponential-fönster enligt ovan uppnås en god renodling av vibrationssignalen i området kring kolvens övre dödläge, något som i hög grad underlättar att på basis av vibrationssignalen etablera ett säkert sam- 10 15 20 -25 30 520 455 É*?; ïšå@ïÜ? *“ 5 band med trycket i cylindern. Proportionema mellan de olika avsnitten TO , TH och TE kan inom uppfinningens ram varieras i viss utsträckning.

Avsnitten TO och TH hanterar tillsammans kompressionsdelen av vibrationssignalen, varvid avsnittet TO används för att eliminera inverkan från närbelägna cylindrar, och avsnittet TH erbjuder en god kompromiss mellan frekvensupplösning och reducerad läckning. Avsnittet TE hanterar förbränningstrycket och kan minimera låckningsfel vid svagt dämpade signaler samt kan även förbättra kvoten mellan signalbrus och brus vid kraftigt dämpade signaler.

För att kunna genomföra en omvandling från vibrationssigr1alU till trycksignal P i blocket 7 är det nödvändigt att ha kunskap om ett samband mellan vibrationssignal och tryck. Ett sådant samband kan etableras genom att under pågående vibrations- mätning fastställa aktuellt tryck i en cylinder, varvid tryckmätning kan utföras med hjälp av en t. ex. i cylinderhuvudet monterad tryckgivare som har till uppgift att kän- na av aktuellt tryck i cylindern och att fortlöpande registrera trycket. Det har härvid visat sig vara lämpligt att för ökad precision filtrera den erhållna trycksignalen med ett speciellt filter på ömse sidor om kolvens övre dödläge, detta för att reducera in- verkan från andra fenomen. Ett fördelaktigt sådant filter har visat sig kunna utgöras av två halva Harming-filter på ömse sidor om ett filteravsnitt som ger en uniform nivå mellan de båda halva Hanning-filtren. Genom att samtidigt avkärma vibrationer vid cylindem blir det möjligt att etablera ett samband mellan vibrationer och tryck.

Härigenom blir det möjligt att genom komplex cepstrum analys fastställa en överfö- ringsfunktion TF, som i blocket 7 kan appliceras på den ur filtret 6 erhållna vibra- tionssignalen U för att erhålla en trycksignal P. Genom en sådan tryckmätriirrg blir det möjligt att etablera överföringsfunktionen TF för en viss motortyp vid t.ex.olika varvtal och olika belastning, så att en matris över TF erhålls. Det blir på basis av så- dana mätningar sedan möjligt att enbart med vibrationsmätningar som grund erhålla tillräckligt underlag för tryckbestärrming. Med hjälp av det redovisade filtret 6 möj- 10 15 20 »fx 30 v.. .. 520 435 6 liggörs en reducerad variation av TF, med säkrare och mera entydig nyckbestärn- ning som följd.

En arman möjlighet är att med utgångspunkt från ovan beskrivna tryckmätningar och vibrationsmätningar utföra multivariat dataanalys (MVDA) och därigenom etablera samband mellan vibrationsigrral och uycksignal for en viss motortyp vid t.ex. olika varvtal och olika belastning. På basis av en på detta sätt erhållen datamodell kan man sedan i block 7 med utgångspunkt från en vibrationssignal U i en bestämd drift- situation etablera en trycksignal P.

Praktiska prov har visat att det är önskvärt att använda åtminstone en vibrationsgiva- re 4 per cylinder. Det har dessutom visat sig vara fördelaktigt ur bl.a. reproducer- barhetssynpunkt att placera dessa givare på bultar som håller fast cylinderhuvudet 3 vid själva motorkroppen. Dessa bultar har visat sig vara mest känsliga för tryckänd- ringar i cylindem och minst känsliga för andra stömingar. En sådan givarplacering säkerställer god koppling till vibrationer i motorkroppen. Beroende på önskemål och behov kan naturligtvis andra givarplaceringar väljas, liksom annan typ av givare än vad som här har beskrivits.

Genom att enligt uppfinningen etablera och utnyttja ett samband mellan vibrationer och cylindertryck blir det möjligt att med hjälp av ett lämpligt antal på motom an- bringade vibrationsgivare enkelt fastställa hur trycket i en cylinder förändras vid kolvens rörelse. Härigenom kan kontroll av motorns kondition utföras, så att eventu- ella fel kan upptäckas och åtgärdas på ett tidigt stadium utan komplicerad inspektion och isärtagrring av motorn. Förutom trycknivåer kan även t.ex. tryckändringstakten eller värmefrigöringstakten i en cylinder fastställas och analyseras.

En ovan beskriven anordning för att bestämma trycket i en cylinder kan monteras permanent på motom eller angränsande delar av ett fordon, lämpligen tillsammans med en ändamålsenligt utformad utvärderingsutrustning, men det är naturligtvis även t.ex. möjligt att endast montera vibrationsgivare på motom och att vid behov 520 435 7 koppla ihop dessa med en lämpligt utformad utvärderingsutrustning, tex. i det aktu- ella fordonet eller i en verkstad.

Claims (15)

10 15 20 -25 fw 520 455 s Patentkrav:

1. Sätt att vid en förbränningsmotor bestämma trycket i en cylinder då cylinderns kolv förflyttar sig i cylindem, varvid vibrationer i motorn registreras och en erhållen vibrationssignal filtreras och omvandlas till en trycksignal representerande trycket i cylindem, kännetecknat av att den i ett område kring kolvens övre dödläge, vid övergång från kompression till expansion, erhållna vibrationssignalen (S) filtreras i ett filter (6) där ett halvt Hanning-filter påverkar vibrationssignalen före kolvens övre dödläge och där ett exponentialfilter påverkar vibrationssignalen efter kolvens övre dödläge, varefter denna filtrerade vibrationssignal (U) på basis av ett samband mellan vibration och tryck omvandlas till en trycksignal (P).

2. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att exponentialfiltret bildar ett längre tids- fönster (TE) än Hanning-filtret, varigenom behandlingen av vibrationssignalen är längre i exponentialfiltret än i Hanning-filtret.

3. Sätt enligt krav 2, kännetecknat av att längden på Hamiing-filtrets tidsfönster (TH) görs till ca 10 - 20%, lärnpligen ca 15 % av längden på exponentialfiltrets tids- fönster (TE).

4. Sätt enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att i filtret (6) ges vibrationssig- nalen värdet noll före Hamiing-filtret. f”

5. Sätt enligt något av kraven l-4, kännetecknat av att filtret (6) ges ett lika stort tidsfönster före (TO + TH) kolvens övre dödläge som efter (TE) kolvens övre dödlä- ge.

6. Sätt enligt något av kraven 1-5, kännetecknat av att vid bestämning av ett sam- band mellan vibration och tryck filtreras kring kolvens övre dödläge en trycksignal representerande verkligt tryck i ett filter innehållande två halva Hanning-filter på 10 15 20 1-ß 30 520 435 9 ömse sidor om ett filteravsnitt som ger en uniform nivå mellan de båda halva Han- ning-filtren innan ett samband mellan trycksignal och vibrationssignal etableras.

7. Sätt enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att vid varje tryckbestämning på basis av en vibrationssignal (S) används en till aktuell driftsituation hörande överfö- ringsfunktion (TF).

8. Sätt enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att vid varje tryekbestäinning på basis av en vibrationssignal (S) används ett till aktuell driftsituation hörande samband som etablerats genom multivaiiat dataanalys (MVDA).

9. Anordning för att vid en förbränningsmotor bestämma trycket i en cylinder då cylindems kolv förflyttar sig i cylindern, varvid det vid åtminstone en cylinder finns åtminstone en på motom monterad vibrationsgivare (4) för avkäniiing av vibrationer som alstras under kolvens rörelse, och varvid det finns ett filter (6) för filtrering av erhållen vibrationssignal saint ett efter filtret anordnat block (7) där den filtrerade vibrationssignalen via samband mellan vibration och tryck omvandlas till en tryck- signal representerande trycket i cylindern, kännetecknat av att filtret (6) är anord- nat att påverka vibrationssignalen (S) i ett område kring kolvens övre dödläge, vid övergång från kompression till expansion, och att filtret (6) innehåller dels ett halvt Hanning-filter för att påverka vibrationssignalen före kolvens övre dödläge och dels ett exponentialfilter för att påverka vibrationssignalen efter kolvens övre dödläge.

10. Anordning enligt krav 9, kännetecknad av att exponentialfiltret bildar ett längre tidsfönster (TE) än Hanning-filtret.

11. ll. Anordning enligt krav 10, kännetecknad av att längden på Hanning-filtrets tids- fönster (TH) utgör ca 10 - 20 %, lämpligen ca 15% av längden på exponentialfiltrets tidsfönster (TE). 10 15 520 455 10

12. Anordning enligt något av kraven 9-1 1, kännetecknad av att i filtret (6) ingår ett före det halva Hanning-filtret anordnat avsnitt (TO) där vibrationssignalen (S) ges värdet noll.

13. Anordning enligt något av kraven 9-12, kännetecknad av att filtret (6) har ett lika stort tidsfönster före (TO + TH) kolvens övre dödläge som efter (TE) kolvens övre dödläge.

14. Anordning enligt krav 13, kännetecknad av att filtret (6) i vevaxelgrader räknat täcker ca 60° på ömse sidor om kolvens övre dödläge.

15. Anordning enligt något av kraven 9-14, kännetecknad av att åtminstone en vib- rationsgivare (4) är monterad på en i motorn ingående bult som håller fast motorns cylinderhuvud (3).