DE2203047B2

DE2203047B2 - Vorrichtung zur ueberwachung der laufguete eines kolbens einer hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2203047B2
Application number: DE19722203047
Authority: DE
Inventors: Dieter 8900 Augsburg; Gerlich Leonhard 8901 Hirblingen; Heinle Eugen 8901 Neusäß Hirt
Original assignee: Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG, 8900 Augsburg
Priority date: 1972-01-22
Filing date: 1972-01-22
Publication date: 1978-01-12
Also published as: JPS5218845B2; DD102437A1; NL156216B; NL7300909A; JPS4882206A; ES410661A1; GB1413881A; US3783681A; NO143238B; FR2174552A5; IT974132B; DE2203047A1; SE377162B; NO143238C; DE2203047C3; CH561848A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Laufgüte eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kolbens einer schnellaufenden Brennkraftmaschine, bei der eine Meßgröße nach Vergleich mit einem Grenzwert ein Signal zur Leistuiigszurücknahme und/oder zum Abstellen der Maschine liefert.

Bei schnellaufenden Brennkraftmaschinen besteht die Gefahr, daß kleinere Schäden an der Lauffläche des Kolbens in der Zylinderlaufbuchse sehr schnell zu sogenannten Kolbenfressern führen, die eine Zerstörung der gesamten Brennkraftmaschine zur Folge haben können.

Aus der DT-PS 7 42 697 ist zwar eine Einrichtung zur Überwachung von Brennkraftmaschinen mit einem Temperaturmeßgerät bekannt, mit der das Fressen eines Kolbens verhindert werden soll. Sobald oder kurz bevor ein Kolben zu fressen beginnt, steigt die Temperatur des Kolbens infolge der erhöhten Reibung im Zylinder ganz erheblich an. Mittels eines im Kolben vorgesehenen Temperaturfühlers, der bei einer vorgegebenen Temperatur eine bestimmte Dehnung oder Krümmung erreicht, wird beim Überschreiten einer Grenztemperatur ein Signal zur Stillsetzung der Brennkraftmaschine ausgelöst. Diese Methode hat sich aber als unbrauchbar erwiesen, da ein größerer Anstieg der Temperatur erst in einer Phase auftritt, in der durch ein Abstellen der Brennkraftmaschine größere Schaden meist nicht mehr zu verhindern sind.

Ferner ist aus der DT-AS 10 45 721 eine Vorrichtung zum Schutz einer Brennkraftmaschine vor Überlastung bekannt, bei der beim Erreichen der Belastungsgrenze ein Sichtsignal gegeben wird und falls hieraus dennoch eine Überlastung erfolgt, die Brennkraftmaschine selbsttätig abgeschaltet, wird. Die bekannte Anordnung erfaßt daher Überlastungsversuche aller Art. Aus diesem Grund bringt die bekannte Anordnung auch eine Zusatzeinrichtung in Vorschlag, mittels der die Abschalteinrichtung kurzzeitig außer Betrieb gesetzt werden kann, falls die Brennkraftmaschine kurzzeitig im Überlastbereich betrieben werden muß. Falls bei der bekannten Anordnung jedoch die Überlastung durch einen Anstieg der Kolbenreibung verursacht wird, ist ein Abschalten zu diesem Zeitpunkt oft schon zu spät, da dann ein sogenannter Kolbenfresser sich bereits angebahnt hat.

h^r) Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das möglichst frühzeitig eine trägheitsarme Anzeige bedrohlicher Änderungen des Laufverhaltens

eines Kolbens ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Amplituden und/oder die Frequenzen der Schwingungen der Zylinderlaufbuchse die Meßgröße bilden. Die eine hinreichend lange Zeit vor einer gefährlichen Verschlechterung des Laufverhaltern eines Kolbens auftretenden Schwingungen der Zylinderbuchse bieten die Möglichkeit, eine Verschlechterung der Laufgüte rechtzeitig festzustellen. Hierdurch ist es möglich, emen Schaden in der Anfangsphase seiner Entstehung festzustellen und die notwendigen Maßnahmen zu veranlassen. Mit einem relativ kleinen Aufwand kann hierbei der aufgetretene Schaden behoben werden. Oftmals genügt aber schon eine Leistungszurücknahme der Brennkraftmaschine, da bei geringer Leistung die Kolben sich selbsttätig wieder einlaufen können.

Es ist zwar in der DT-OS 19 49 997 eine Einrichtung zum Verhüten einer über einer festgelegten Maximaldrehzahl liegenden Drehzahl einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen worden, bei der die Vibration eines Bauteils, hier des gesamten Motors, dazu benutzt wurde, die Drehzahl zurückzunehmen. Bei der bekannten Anordnung wird der Brennkraftmaschine hierzu ab einer bestimmten Drehzahl ein Zusatzkraftstoff zugeführt, der eine Zurücknahme der Drehzahl bewirkt. Die in einem festen Abhängigkeitsverhältnis von der Drehzahl stehende Motorvibration soll hier ab einer bestimmten Frequenz, d. h. ab einer bestimmten Drehzahl, ein Ventilglied ebenfalls zu Schwingungen anregen, wodurch die Zufuhr von Zusatzkraftstoff ermöglicht werden soll. Irgendeinen Hinweis auf eine möglichst frühzeitige und trägheitsarme Anzeige bedrohlicher Änderungen des Laufverhaltens eines Kolbens war demnach hieraus nicht zu entnehmen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden die Amplituden und/oder die Frequenzen der Längsschwingungen der Zylinderlaufbuchse die Meßgröße. Es hat sich herausgestellt, daß die Längsschwingungen der Zylinderlaufbuchse in einem sehr frühen Stadium eines sich anbahnenden Koibenfressers in einer Größenordnung in Erscheinung treten, die eine Messung mit robusten Meßinstrumenten erlaubt. Durch den Einsatz von robusten Meßinstrumenten ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Störanfälligkeit der Meßinstrumente gering zu halten und Fehlanzeigen zu vermeiden.

Dadurch, daß der Meßwert der Meßgröße in einen elektrischen Spannungs- oder Stromausschlag umgeformt wird, ist es möglich, für die Weiterverarbeitung der Meßgröße elektronische Geräte zu verwenden, die einen äußerst geringen Raumbedarf aufweisen. Außerdem können insbesondere nach einer Verstärkung des Meßwerts große Entfernungen in einfacher Weise durch elektrische Leitungen überbrückt werden, so daß die dem Meßwertaufnehmer nachgeschalteten Geräte an einer Stelle untergebracht werden können, die von störenden Außeneinflüssen freigehalten sind.

Durch die nur vorzugsweise anwendbare Gleichrichtung und gemeinsame Aufintegration der positiven und negativen Ausschläge der Meßgröße wird erreicht, daß eine Veränderung des Meßwertes der Meßgröße sehr rasch erfaßt und unter Ausschaltung statistisch auftretender Störungen zur Abgabe eines Warnsignals verwendet werden kann.

Da mit beginnender Verschlechterung der Laufgüte h<> nicht alle Frequenzen aus dem gesamten Frequenzspektrum mit gleichmäßiger Intensität auftreten, bietet eine selektive Verstärkung der besonders stark auftretenden Frequenzen für die Überwachung <Jer Laufgüte und die Früherkennung von Schaden einen besonderen Vorteil. Erfahrungsgemäß treten mit beginnender Verschlechterung der Laufgüte die Schwingungsfrequenzen im Ultraschallbereich besonders stark auf. Bei stärker werdender Verschlechterung erreichen die Eigenfrequenzen der Laufbuchsen-Längsschwingungen eine sehr hohe Intensität. Durch eine Auswahl dieser Frequenzen ist es in vorteilhafter Weise möglich, sehr rasch charakteristische Änderungen der Meßgröße festzustellen.

Die nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Integration der Einzelimpulse über die Dauer eines Arbeitsspiels liefert einen Ausgangswert, der unabhängig von der Motordrehzahl ist, und bietet die Möglichkeit, in einfacher Weise die Steuerwelle oder die Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine als Impulsgeber zu benützen.

Eine Speicherung des Integrationsergebnisses aus einem Arbeitsspiel bis zum Ende des darauffolgenden Arbeitsspiels ermöglicht eine ständige, nicht unterbrochene Überwachung und führt zu einer besonders einfachen Ausbildung des gesamten Überwachungssystems.

Durch eine Einzelüberwachung der verschiedenen Zylinder bei Mehrzylindermaschinen ergibt sich der weitere Vorteil, Störungen unmittelbar am Ort ihrer Entstehung ermitteln zu können. Hierdurch besteht die Möglichkeit, einer Meßwertverfälschung, die durch Dämpfung oder völlige Kompensation der entscheidenden Signale oder durch von anderen Bauteilen herrührenden Störungen entstehen kann, wirksam vorzubeugen.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird aus den Meßwerten der einzelnen Zylinder einer Mehrzylindermaschine ein arithmetischer Mittelwert gebildet, der einen gleitenden, lastabhängigen Bezugswert liefert. Hierdurch ist es möglich, einen Voralarm auszulösen, sobald die Laufgüte eines einzelnen Zylinders von diesem Bezugswert um einen bestimmten, einstellbaren Schwellwert nach oben abweicht. Dadurch, daß der Schwellwert etwas über dem Streubereich der einzelnen Zylinder liegt, ist es in vorteilhafter Weise möglich, Fehlalarme zu verhindern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur Eigenüberwachung der Meßwertaufnehmer von dem gleitenden mittleren Bezugswert ein einstellbarer Schwellwert abgezogen und ein Aufnehmerdefekt signalisiert, sobald der an einem einzelnen Zylinder aufgenommene Meßwert den verbleibenden Restwert unterschreitet. Mit dieser Eigenüberwachung läßt sich die Funktionssicherheit des gesamten Überwachungssystems wesentlich erhöhen.

Da Kolbenfresser im allgemeinen nur bei einer bestimmten Temperatur der Zylinderlaufbuchse oder bei einem bestimmten Lastbereich der Maschine, beispielsweise zwischen ^ZU der Vollast und Überlast erwartet werden können, ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Auslösung eines Signals zur Leistungszurücknahme und/oder zum Abstellen der Brennkraftmaschine neben dem Auftreten von Schwingungen mit der vorgegebenen Intensität von einer weiteren Größe abhängig zu machen. Dadurch kann die Sicherheit gegen Fehlalarme weiter erhöht werden.

Durch das Anbringen der Meßwertaufnehmer am freien, nicht eingespannten Ende der Zylinderlaufbuchse läßt sich die Ansprechempfindlichkeit erhöhen und die Genauigkeit der Messung vergrößern, da die Ausschlä-

ge des freien, nicht eingespannten Endes der Zylinderlaufbuchse besonders stark und nahezu ungedämpft verlaufen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Überwachungsvorrichtung für einen einzelnen Zylinder,

Fig.2 ein Blockschaltbild einer Überwachungsvorrichtung für eine Mehrzylindermaschine.

Mit 1 ist hierbei eine Zylinderlaufbuchse bezeichnet, in der ein Kolben 2 geführt ist. Erhöhte Reibung mit punktförmiger Überhitzung einzelner Kolbenstellen bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Materials führt zu erhöhten Scherkräften auf der Lauffläche der Zylinderlaufbuchse 1. Hierdurch werden bevorzugt Längsschwingungen der Zylinderlaufbuchse 1 angeregt. Die Amplituden und die Frequenzen dieser Schwingungen werden von einem an der Zylinderlaufbuchse 1 befestigten Meßwertaufnehmer 3 erfaßt, der Signale in Form von elektrischen Spannungs- oder Stromausschlägen liefert. Die vom Meßwertaufnehmer 3 gelieferten Signale werden nach Verstärkung in einem Verstärker 4 einem Gleichrichter 5 zugeführt, in dem die positiven und negativen Ausschläge gleichgerichtet werden. Der Meßwertaufnehmer 3 und der Verstärker 4 können auch in einer mittels einer Schraube verschlossenen Bohrung in der Zylinderlaufbuchse 1 untergebracht sein. In der Regel genügt ein Meßwertaufnehmer pro Zylinder. Für eine besonders fein ansprechende Überwachung können aber auch mehrere Meßwertaufnehmer über den Umfang der Zylinderlaufbuchse 1 verteilt werden. Durch Has Vorsehen der Meßwertaufnehmer 3 an der Zylinderlaufbuchse selbst können Störungen direkt am Ort ihrer Entstehung ohne vorherige Verfälschung oder Dämpfung erfaßt werden. Außerdem ergibt sich hierdurch eine besonders einfache Montage dieser Teile, da dieser Arbeitsgang noch vor Einbau der Zylinderlaufbuchse in die Hubkolbenmaschine durchgeführt werden kann. Sofern von außen kommende Störungen nicht befürchtet werden müssen, ist es natürlich auch möglich, die Schwingungen der Zylinderlaufbuchse beispielsweise über Körperschalleiter zu Schwingungsaufnehmern außerhalb der Hubkolbenmaschine zu leiten, wodurch die Schwingungsaufnehmer besonders einfach ausgeführt werden können. Vom Gleichrichter 5 führt der Signalfluß zu einem Integrator 6, der die einzelnen Impulse über die Dauer eines Arbeitsspiels integriert. Die Integration wird mittels eines aus einem Transistor 7 und einem Kondensator 8 bestehenden Steuergliedes periodisch gesteuert. Die Spannung des Kondensators 8 wird je Arbeitsspiel einmal kurzzeitig gelöscht und dadurch der Integrationsvorgang immer wieder neu auf gleiche Anfangsbedingungen zurückgesetzt. Hierdurch liefert der Integrator 6 am Ende jeder Integrationsperiode einen drehzahlungsabhängigen Endwert. Dieser Wert wird vor jedem Rücksetzen von einer nachfolgenden Sample-and-Hold-Schaltung 9, im folgenden SH-Schaltung genannt, übernommen und bis zur nächsten Übernahme gespeichert. Die Speicherung des Integrationsergebnisses ermöglicht eine ständige, nicht unterbrochene Überwachung. Der Ausgang der SH-Schaltung 9 führt ständig den Integrationswert. Der Transistor 7 wird gegenüber der SH-Schaltung 9 etwas verzögert angesteuert, damit die SH-Schaltung den Hndwcrt des Integrators 6 sicher übernehmen kann. Die erforderlichen Impulse für die Steuerung des Integrators 6 und der SH-Schaltung 9 werden über einen Impulsformer 10 von einem Geber 11 abgeleitet, der je Umdrehung der Hubkolbenmaschine einen Impuls liefert. In besonders einfacher Weise können diese Impulse von der Kurbelwelle oder der Steuerwelle der Hubkolbenmaschine abgenommen werden. Sobald das von der SH-Schaltung 9 gelieferte Signal einen mittels eines Grenzwertgebers 12 einstellbaren Grenzwert

ίο überschreitet, kann durch einen Pegeldetektor 13 über eine Alarmanlage 14 ein Alarmsignal ausgelöst werden. Insbesondere bei der Überwachung einer Mehrzylindermaschine erweist sich eine Weiterverarbeitung der von den SH-Schaltungen der einzelnen Zylinder gelieferten Signale nach dem in Fig.2 dargestellten Blockschaltbild als vorteilhaft. Die von den einzelnen SH-Schaltungen 9a bis 9Λ kommenden Signale werden einem Summierverstärker 15 zugeführt und gleichzeitig von einem Multiplexer 16 automatisch in schneller Folge auf einen Pegeldetektor 17 gegeben. Der Summierverstärker 15 bildet einen arithmetischen Mittelwert der Ausgangssignale der einzelnen SH-Schaltungen. Der Pegeldetektor 17 vergleicht jeden Einzelwert mit dem arithmetischen Mittelwert, der mittels des Summierverstärkers 18 noch um einen einstellbaren, von einem Sollwertgeber 19 abnehmbaren Schwellwert erhöht wird. Überschreitet ein Einzelwert die Summe von arithmetischem Mittelwert und Schwellwert, so liefert der Pegeldetektor 17 ein Ausgangssignal, das zur Betätigung einer Einrichtung 20 zur Auslösung eines Voralarms Verwendung finden kann. Gleichzeitig kann am Multiplexer 16 der auslösende Zylinder angezeigt werden.

Da im allgemeinen Kolbenfresser nur bei hohen Belastungen der Hubkolbenmaschine auftreten, können zur Erhöhung der Sicherheit des Überwachungssystems noch zusätzliche Kriterien eingeführt werden, von deren gleichzeitigem Auftreten ein Abschschalten der Maschine oder eine Zurücknahme der Leistung abhängig gemacht werden können. So kann beispielsweise zusätzlich zu dem Signal des Pegeldetektors 17 das von einem Pegeldetektor 21 signalisierte Überschreiten eines von einem Grenzwertgeber 22 gegebenen Grenzwerts, sowie eine weitere Größe, beispielsweise der Betrieb der Hubkolbenmaschine in einem bestimmten Lastbereich über eine logische Verknüpfung 23 mit in die Entscheidung über den Abstellvorgang einbezogen werden. Der Betrieb der Hubkolbenmaschine in einem kritischen Lastbereich läßt sich in

so einfacher Weise durch eine zusätzliche Erfassung der Stellung des Füllungsgestänges 24 einer Brennstoffpumpe 25 überwachen. Die logische Verknüpfung 23 gibt bei gleichzeitigem Auftreten aller drei Eingangsgrößen einen Befehl zur Zurücknahme des Füllungsgestänges oder zum Abstellen der Hubkolbenmaschine. Selbstverständlich können auch noch weitere Größen über die logische Verknüpfung 23 mit in die Entscheidung über den Abstellvorgang einbezogen werden. Bei einem besonders vorsichtigen Betrieb der Hubkolbenmaschine

Wi kann der Abstellvorgang natürlich auch schon beim Auftreten einer kleineren Anzahl von Störgrößen ausgelöst werden.

Durch einen weiteren Pegeldetektor 26 und einen weiteren Summierverstärker 27 läßt sich weiterhin eine Selbstüberwachung der einzelnen Meßkanäle vom Meßwertaufnehmer bis zum Ausgang der SH-Schaltungen durchführen. Von dem vom Summierverstärker 15 gelieferten arithmetischen Mittelwert wird mittels des

Summierverstärkers 27 ein von einem Sollwertgeber 28 einstellbarer Schwellwert abgezogen und der verbleibende Restwert mittels des Pegeldetektors 26 mit den vom Multiplexer 16 gelieferten Werten verglichen. Sobald eine Unterschreitung festgestellt werden kann, wird eine Alarmanlage 29 in Betrieb gesetzt. Hiermit kann der Ausfall eines Meßwertaufnehmers sicher

erfaßt werden.

Durch weitgehende Integration der elektronischen Elemente auf wenigen Siliziumpiättchen wird die Funktionssicherheit der Überwachungseinrichtung wesentlich erhöht. Außerdem ergibt sich ein äußerst geringer Platzbedarf und ein unwesentlicher Leistungsverbrauch.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung der Laufgüte eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kolbens einer schnellaufenden Brennkraftmaschine, bei der eine Meßgröße nach Vergleich mit einem Grenzwert ein Signal zur Leistungszurücknahme und/oder zum Abstellen der Maschine liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden und/oder die Frequenzen der Schwingungen der Zylinderlaufbuchse (l'| die Meßgröße bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden und/oder die Frequenzen der Längsschwingungen der Zylinderlaufbuchse (i)die Meßgröße bilden.

3. Vorrichtung nach Ansprucn 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert der Meßgröße in einen elektrischen Spannungs- oder Stromausschlag umgeformt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen Ausschläge der Meßgröße nach Verstärkung in einem Verstärker (4) mittels eines Gleichrichters (5) gleichgerichtet und in einem Integrator (6) ge meinsam aufintegriert werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verstärkung der Meßwerte im Verstärker (4) die besonders stark auftretenden Frequenzen bevorzugt verstärkt werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrationsweg ein Arbeitsspiel des Kolbens (2) umfaßt und von der Kurbel- oder der Steuerwelle der Hubkolbenmaschine gesteuert wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrationsergebnis aus einem Arbeitsspiel bis zum Ende des darauffolgenden Arbeitsspiels gespeichert und danach gelöscht wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrzylindermaschinen die verschiedenen Zylinder einzeln überwacht werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrzylindermaschinen aus den Meßwerten mehrerer Zylinder ein arithmetischer Mittelwert gebildet wird, der einen gleitenden lastabhängigen Bezugswert liefert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Alarmgrenzwertes zu dem gleitenden mittleren Bezugswert noch ein einstellbarer Schwellwert, der etwas größer als der Streubereich der einzelnen Zylinder ist, addiert wird und bei Überschreitung des Endwertes Alarm ausgelöst wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eigenüberwachung der Meßwertaufnehmer von dem gleitenden mittleren Bezugswert ein einstellbarer Schwellwert abgezogen wird und nach Unterschreitung des verbleibenden Restwertes ein Aufnehmerdefekt signalisiert wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung eines Signals zur Leistungszurücknahme und/oder zum Abstellen der Maschine vom Auftreten einer

weiteren Größe, beispielsweise dem Betrieb der Maschine in einem bestimmten Lastbereich abhängig gemacht wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen der Zylinderlaufbuchse (1) mit durch Beschleunigungs- oder Körperschallaufnehmer gebildeten Meßwertaufnehmern (3) aufgenommen werden, die am kurbelwellenseitigen Ende der Zylinderlaufbuchse (1) befestigt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer (3) und eventuell erforderliche Vorverstärker in die Zylinderlaufbuchse (1) hermetisch dicht integriert sind.