DE3538066A1

DE3538066A1 - Anordnung zum ueberwachen der dichtheit der auslassventile einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE3538066A1
Application number: DE19853538066
Authority: DE
Inventors: Leo Malax Hallbäck
Original assignee: Osakeyhtioe Waertsilae Helsinki AB; Wartsila Oy AB
Current assignee: Wartsila Oy AB
Priority date: 1984-10-26
Filing date: 1985-10-25
Publication date: 1986-04-30
Also published as: FI844226A0; FI844226L; FI70981B; GB2166195A; GB8526344D0; FI70981C; GB2166195B; JPS61180124A; FR2572462A1; FR2572462B1

Description

Anordnung zum Überwachen der Dichtheit der Auslaßventile einer Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zum überwachen der Dichtheit des Auslaßventils eines Dieselmotors.

An die Betriebszuverlässigkeit von Motoren, z. B. Dieselmotoren zum Einbau in Schiffe oder zum off-shore-Einsatz werden heutzutage große Anforderungen gestellt. Gleichzeitig sollten die Wartungsintervalle so lang wie möglich und die für Arbeiten der Wartung oder des Austausches von Teilen notwendigen Unterbrechungen des Betriebs so kurz wie möglich sein. Aus diesen Gründen ist es wichtig, Schäden an den Maschinen so schnell wie möglich festzustellen, damit die Reparatur rechtzeitig vorgenommen werden kann. Wenn nämlich ein aufgetretener Schaden nicht sofort bemerkt wird, kann selbst ein anfangs geringfügiger Fehler rasch zu teueren Folgeschäden führen.

Bei Dieselmotoren sind die Dichtungsflächen der Auslaßventile und die Ventilsitzringe besonders schadanfällig wegen der hohen thermischen und mechanischen Belastung, der sie ausgesetzt sind. Die Temperatur der Ventile kann nämlich Werte von 600 bis 700° C erreichen, und dann verursachen die heißen Abgase leicht Korrosion und Anfressen der Dichtungsflächen. Durch Korrosion angefressene Bereiche können auch der Beginn von Rissen sein, die mit der Zeit zum Bruch durch Ermüdung führen. Zwischen den Oberflächen des Ventils und des Ventilsitzringes zurückbleibende, harte Koksteilchen verursachen Grübchen in den Oberflächen, die sogenannte Grübchenkorrosion. Infolge dieser Erscheinung, des allgemeinen Röstens und des Verschleisses oder von Brüchen kommt es im Ventil zu einem sogenannten "Vorbeiblasen", und das kann in kurzer Zeit zur Zerstörung der Zylindereinheit und/oder des Turboladers führen.

Mit der Erfindung soll eine Schutzvorrichtung geschaffen werden, die auf der Grundlage der Erkennung eines sogenannten

"Vorbeiblasens" arbeitet und sofort beim Auftreten eines Leckverluste verursachenden Fehlers in Form entsprechender Impulse eine Warnung an die Bedienungsperson des Motors, an eine Steuervorrichtung oder eine sonstige Alarmanlage abgibt. Auf diese Weise können Maßnahmen zur Reparatur und Wartung rechtzeitig vorgenommen werden, ehe der Fehler Zeit hat, einen größeren Schaden zu verursachen.

Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 dargelegt. Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß beim Auftreten des geringsten Fehlers in der Dichtungsfläche des Ventils infolge von Korrosion, Verschleiß oder Rissen der im Brennraum vorherrschende starke Überdruck während der Zünd- und Verbrennungsphase nach Freigabe durch die undichte Stelle sucht. Die die beschädigte Dichtungsfläche durchdringende Druckwelle preßt das brennende Gas dabei in die Auslaßöffnung. Ein in der Auslaßöffnung in der Nähe der Ventilsitzfläche angeordneter Detektor, der auf eine Druckwelle oder auf einen Wärmeimpuls oder eine von diesem mitgerissene Flamme anspricht, löst eine Warnung in "der Alarmanlage aus. Der Zweck der Erfindung wird mittels einer Schutzvorrichtung erzielt, die in dieser Weise funktioniert. Eine Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung hat darüberhinaus den Vorteil, daß sie auch dann einen Fehler feststellen und eine Warnung abgeben kann, wenn eine Verbrennungskraftmaschine nicht ordnungsgemäß arbeitet und beispielsweise die Kraftstoffeinspritzung verspätet ist oder ein Nachbrennen auftritt.

Unter normalen Bedingungen ist die Verbrennung insbesondere im Brennraum der größeren Dieselmotoren für langsame oder mittlere Geschwindigkeiten vollständig. Folglich ist die Verbrennungsphase beendet, wenn sich die Ventile zum Gasaustausch öffnen. Es besteht also keine unmittelbare Notwendigkeit, eine die Betriebsgeschwindigkeit des Motors überwachende Steuervorrichtung mit einem Meßfühler zu verbinden, der auf Licht anspricht, denn der in der Auslaßöffnung auftretende Lichtimpuls ist immer ein Zeichen für einen von der Norm abweichenden Betrieb des Motors. Andererseits sollte

ein Meßfühler, der auf einen Wärme- oder Druckimpuls reagiert, mit einer Vorrichtung verbunden sein, die durch Messen der Dauer des Impulses, Vergleichen des Zeitpunktes des Impulses mit der Zylinderphase oder auf eine entsprechende andere Weise verhindert, daß der Warnimpuls infolge von Wärme- oder Druckimpulsen weitergegeben wird, die zum normalen Betrieb gehören. Meistens sind mehrere Zylinder mit einer gemeinsamen Auslaßöffnung verbunden, und aus diesem Grund treten gleichzeitig verschiedene Arten von Druckschwankungen in der Öffnung auf. Es ist auch bekannt, daß die Temperatur der Abgase eines Dieselmotors bei Annäherung an die Auslaßöffnung nicht gleichbleibend ist,sondern zwischen den verschiedenen Zylindern von 100 bis 150° C schwanken kann, wobei die durchschnittliche Temperatur je nach der Drehzahl, Belastung oder ähnlichen Faktoren bei 300 bis 600° C liegt. Der Meßbereich und die Warngrenze für den Temperatur- oder Druckmeßfühler muß auf der Basis empirischer Werte so festgelegt sein, daß ein Funktionieren im Rahmen eines gegebenen, exakt definierten Spektrums gewährleistet ist.

Die Temperatur in der Auslaßöffnung eines Dieselmotors kann auf ca. 600 bis 700° C steigen, und sogar die Temperatur der Abdeckung des Motors liegt gut über 100°. Ferner unterliegt der Motor einem großen Ausmaß an Schwingungen. Deshalb ist es unter dem Gesichtspunkt der Betriebszuverlässigkeit vorteilhaft, die hauptsächliche Elektronik, z. B. Photozellen und dgl. außerhalb des Motors und, sofern dies möglich ist, zusammen mit der Steuervorrichtung für die Maschine anzuordnen. Es ist auch vorteilhaft, den Meßfühler in einem Sockel anzubringen, der zur Reparatur oder zum Säubern des Meßfühlers leicht abnehmbar ist. Die Gestalt und Anordnung des Aufnahmeendes des Meßfühlers sollte so gewählt sein, daß bei geöffneten Ventilen während des Gasaustausches die Strömung des Abgases eine selbstreinigende Wirkung hat, die so wirkungsvoll wie möglich ist. Ferner sollte bei der Anbringung des Meßfühlers darauf geachtet werden, daß der Wahrnehmungsbereich des Aufnahmeendes des Meßfühlers die dicht abgedichtete Oberfläche zwischen dem Ventilsitz und dem Ventil vollkommen erfaßt.

Im folgenden ist die Erfindung mit vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine Ansicht der Anbringung einer erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Aufbau eines Meßfühlers gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Meßfühler 11 gezeigt, der an einem Zylinderkopf 4 so angebracht ist, daß sich das obere Ende des Meßfühlers über den Zylinderkopf hinaus erstreckt, während das untere Ende mit einer Detektorspitze 14 in einer Auslaßöffnung 7 eines Dieselmotors angeordnet ist. Der Meßfühler erstreckt sich durch einen Kühlwassermantel 9 und ist im Zylinderkopf mittels eines Gewindes 16 fest angeordnet. Die Verbindungsstellen sind mittels Dichtungen 15 (O-Ring) und 18 wasser- und druckdicht gemacht.

Mittels der Kurbelwelle ist die Bewegung eines Auslaßventils 5 in einer Ventilschaftführung 10 mit der Bewegung des Zylinderkolbens synchronisiert. Während der Zünd- und Verbrennungsphase ist der Brennraum 3 des Zylinders der geschlossene Raum, der vom oberen Teil 1 des Kolbens, dem Futter 2 des Zylinders, dem Zylinderkopf 4 sowie dem Auslaßventil 5 und einem hier nicht gezeigten Einlaßventil begrenzt ist. Der im Brennraum herrschende Überdruck drückt das Auslaßventil 5 eng gegen einen Ventilsitz 6. Sofern die Dichtungsfläche zwischen dem Auslaßventil 5 und dem Ventilsitz 6 verschlissen oder beschädigt ist, versucht der Überdruck aus dem Brennraum 3 durch diese undichte Stelle in die Auslaßöffnung 7 zu entweichen. Diese Erscheinung, die als "Vorbeiblasen" bezeichnet wird, führt dazu, daß brennendes Gas bzw. eine Flamme 13, begleitet von einem Druckimpuls, in die Auslaßöffnung gelangt. Die am unteren Ende des Meßfühlers 11 angeordnete Detektorspitze 14 spricht entweder auf die von diesem Vorbeiblasen verursachte Lichtabgabe, Wärmewelle oder den entstehenden Druckimpuls so an, daß sie entweder direkt oder indirekt dazu führt, daß eine an der Maschine vorgese-

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hene Warnvorrichtung 17 eine Warnung erhält. Die Detektorspitze 14 des Meßfühlers hat einen Wahrnehmungsbereich 29, der so groß ist, daß er die gesamte Dichtungsfläche zwischen dem Ventilsitz 6 und dem Auslaßventil 5 erfaßt.

In Fig. 2 ist der Aufbau eines bestimmten Ausführungsbeispiels eines Meßfühlers gezeigt, der auf Licht anspricht. Ein aus Quarzglas oder einem ähnlichen Werkstoff hergestellter Lichtleiter 21 ist in einer Vergußmasse 22 angeordnet, die vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff besteht.

Der Lichtleiter 21 ist in Aufwärtsrichtung verjüngt und konzentriert dadurch das Licht. Die Vergußmasse 22 ist entweder unmittelbar in ein inneres Gehäuse 20 eingegossen oder anschließend in fester Form mittels eines Gewindes 26 darin angeordnet, wobei dies Gehäuse in einem äußeren Gehäuse 19 aufgenommen ist. Der Lichtleiter 21 kann also zur Reparatur oder zum Reinigen leicht vom Zylinderkopf abgenommen werden. Zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse ist eine flexible Wärmeübertragungsmasse 23 angeordnet. In das obere Ende des Lichtleiters 21 ist mittels einer Verbindung 24 ein zweiter Lichtleiter 28 eingesetzt, der vorzugsweise aus einer Faseroptik besteht und an einem Ende an eine Photozelle angeschlossen ist, die im Zusammenhang mit der Warnvorrichtung 17 steht. Die Verbindung 24 ist durch eine Abdeckung 25 geschützt, welche am inneren Gehäuse 20 entweder mittels eines Gewindes 27 verankert oder auf das Gehäuse aufgepreßt ist. Gemäß einer Alternative kann die Photozelle auch unmittelbar in der Verbindung 24 angeordnet sein und der von ihr erzeugte Impuls über einen elektrischen Draht an die Warnvorrichtung 17 gegeben werden.

Ein Meßfühler, der auf einen Druckimpuls oder eine Wärmewelle reagiert, ist im Prinzip in der gleichen Weise eingebaut und hat die gleiche äußere Gestalt wie der vorstehend beschriebene lichtempfindliche Meßfühler. In diesen Fällen besteht der am unteren Ende des Meßfühlers vorgesehene Detektor statt aus einem Lichtleiter entweder aus einem Wärmeelement, einem Druckmeßgerät oder ähnlichem. Wenn hier

Thermoelemente erwähnt werden, so sind darunter auch andere Wärmeübertragungssysteme zu verstehen, die Wärme in eine andere Größe umwandeln, beispielsweise in mechanische Bewegung, Druck, elektrischen Strom oder den ohmschen Widerstand nach dem PCT- oder NCT-Verfahren umwandeln.

Im Zusammenhang mit der Warnvorrichtung 17 ist es bei einigen Anwendungsfällen der Erfindung nötig, eine Steuerung einzubauen, die durch einen Vergleich des vom Detektor abgegebenen Impulses mit dem Phasenzustand der Maschine, durch Messen der Dauer des Impulses oder auf entsprechende Weise verhindert, daß der Impuls an die Warnvorrichtung weitergegeben wird, wenn die Auslaßventile während des Gasaustausches geöffnet sind.

Claims

Zipse&Habersack Ratentanwälte Kemnatenstraße 49, D-8000 München 19 beim Europäischen Patentamt Telefon (089) 17 0186, Telex (07) 81307 zugelassene Vertreter Oy Wärtsilä Ab 26. Oktober 1984 Fi - 00100 Helsinki WA 92 : Patentansprüche

1.) Anordnung zum überwachen der Dichtheit der Zylinderauslaßventile einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors während des Laufens des Motors, dadurch gekennzeichnet , daß ein Meßfühler (11) vorgesehen ist, der auf eine an der Außenseite eines Auslaßventils (5) auftretende Erscheinung aufgrund eines Lecks beim Zünden oder Verbrennen des Kraftstoffs im Zylinder des Motors anspricht, und daß mit diesem Meßfühler eine Warnvorrichtung (17) verbunden ist, die so angeordnet ist, daß sie bei einem Ventilleck einen Warnimpuls abgibt.

2. . Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßfühler (11) in der Auslaßöffnung (7) in unmittelbarer Nähe der Ventilsitze (6) angeordnet ist..

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßfühler (11) ein Element ist, welches auf Licht anspricht und einen Lichtleiter (21) aufweist, der aus einem wärmebeständigen Werkstoff hergestellt ist und Licht leitet, und daß das Aufnahmeende in der Nähe des Ventilsitzes (6) angeordnet ist, und daß sich das obere Ende über den Zylinderkopf (4) erstreckt und eine Photozelle, eine Leuchtdiode oder ein auf Fluoreszenz, Photonenemission oder einer ähnlichen photoelektromagnetischen Funktion beruhendes Element aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtleiter (21) aus Quarzglas oder ähnlichem Werkstoff hergestellt ist und in der Dicke in Aufwärtsrichtung verjüngt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Photozelle oder das entsprechende Element so angeordnet ist, daß es unmittelbar im oberen Ende des Lichtleiters (21) aufgenommen ist oder unter Zwischenschaltung eines mit ihm verbundenen zweiten Lichtleiters (28) z. B. einer Faseroptik arbeitet.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der von der Photozelle oder dem entsprechenden Element abgegebene Impuls elektronisch an eine elektrisch arbeitende Warnvorrichtung (17), beispielsweise einen Mikroprozessor oder an den zentralen Rechner der Maschine oder eine ähnliche Vorrichtung weitergeleitet wird.

7. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtleiter (21) einen schützenden Mantel (22) aus Keramik oder ähnlichem Werkstoff aufweist, der in einem Sockel angeordnet ist, welcher ein getrenntes äußeres und-inneres Gehäuse (19, 20) aufweist, wobei zwischen den Gehäusen eine Masse (23) angeordnet ist, die die infolge der Temperaturunterschiede auftretende Spannung ausgleicht, und daß das äußere Gehäuse (19) des Sockels mit dem Zylinderkopf (9) über Dichtungen (15, 18) fest verbunden ist, und daß das innere Gehäuse (20) des Sockels so gestaltet ist, daß es zum Reinigen des Endes des Lichtleiters (21) und für ähnliche Maßnahmen gesondert lösbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 3 bis 5,

dadurch gekennzeichnet , daß der Empfindlichkeitsbereich des Lichtspektrums des Meßfühlers auch den Infrarotbereich einschließt.

9. Anordnung nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet , daß das Aufnahmeende des Meßfühlers ein Thermoelement oder ein ähnliches Element aufweist, welches auf Wärme anspricht und so angeordnet ist,

daß es an die Warnvorrichtung der Maschine ein Signal abgibt, wenn die Wärme auf ein bestimmtes Niveau ansteigt.

10. Anordnung nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet / daß das Aufnahmeende des Meßfühlers ein Druckmeßgerät enthält, welches so angeordnet ist, daß es einen Impuls an die Warnvorrichtung der Maschine abgibt, wenn der Druck einen bestimmten Wert übersteigt.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Warnvorrichtung eine Steuerung aufweist, die so angeordnet ist, daß sie die Weitergabe des Impulses an die Warnvorrichtung begrenzt, wenn das Auslaßventil beim Gasaustausch des Motorzylinders offen ist.