DE3021814C2

DE3021814C2 - Verfahren zum Betreiben eines Diagnosegerätes für Zylinder von Mehrzylinderverbrennungsmotoren sowie Diagnosegerät für diese Zylinder

Info

Publication number: DE3021814C2
Application number: DE3021814A
Authority: DE
Inventors: David L. Reid; Dennis O. Columbus Ind. Taylor
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1979-06-11
Filing date: 1980-06-11
Publication date: 1986-10-16
Also published as: JPH0130098B2; MX148298A; CA1141470A; GB2053484A; US4292670A; GB2053484B; JPS5653442A; DE3021814A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Diagnosegerätes für Zylinder von Mehrzylinderverbrennungsmotoren, wobei jedem Zylinder ein Zündintervall zugeordnet ist, und die Zündintervalle aller Zylinder einen Arbeitszyklus bilden. Weiter betrifft die Erfindung ein Diagnosegerät für diese Zylinder, wobei gleichfalls jedem Zylinder ein Zündintervall zugeordnet ist und gleichfalls die Zündintervalle aller Zylinder einen Arbeitszyklus bilden.

Wenn ein Mehrzylinderverbrennungsmotor nicht mehr seine vorgesehene Leistung liefert, entsteht dieses Problem häufig aufgrund von Schäden oder schlechten Arbeiten eines oder von zwei Zylindern. Im Falle eines Dieseltriebwerks kann das schlechte Arbeiten eines Zylinders beispielsweise durch Versorgung mit zu wenig Triebstoff Zustandekommen welches durch Versagen des Treibstoffeinspritzers, oder auf abgenutzte Kolbenringe und Ventile zurückzuführen ist, die zu einem Verlust von Kompression führen. Ein äußeres Anzeichen derartiger Fehler kann ein rauher Lauf des Triebwerkes oder schlechte Zylinderkompression sein.

Es ist selbstverständlich wünschenswert, dazu fähig zu sein, einen schlechten Zylinder zu identifizieren; es gibt sehr spezialisierte Mechaniker, welche dieses bei Verwendung von zeitaufwendigen Techniken feststellen können. Diese Lösung ist nichtsdestoweniger für einen Triebwerkshersteller nicht zufriedenstellend, wenn viele Triebwerke geprüft werden müssen, oder in Service-Einrichtungen, in denen sehr gut ausgebildete Mechaniker häufig nicht erreichbar sind. Werkzeuge wie Thermoelemente, Vibrationsdetektoren und Zylinderdruckmesser können in einem Laboratorium benutzt werden, aber an anderen Plätzen sind sie im allgemeinen nicht erwünscht.

Die US-PS 40 64 747 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Diagnosegerätes zum Identifizieren oder Isolieren eines schlechten oder defekten Zylinders, bei dem die augenblickliche Geschwindigkeit der Triebwerkskurbelwelle gemessen wird, wenn das Triebwerk sich durch einen vollständigen Betriebszyklus bewegt. Wenn dann die augenblickliche Triebwerksgeschwindigkeit gegen die Zeit aufgetragen wird, erhält man eine zyklisch variierende Kurve, wobei die maximale Geschwindigkeit während des Ausdehnungshubes eines defekten Zylinders normalerweise nicht so hoch ist wie die Geschwindigkeit, die mit einem normalen Zylinder erreicht wird, sein wird. Dieses Verfahren ist aber nicht immer genau, da es Variationen anderer Triebwerksparameter, wie die Massen der betrieblichen Teile, ungenaue Geschwindigkeitsmessungen, Variationen in der Zylinderkompressionsarbeit u. s. nicht berücksichtigt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Diagnosegerätes sowie ein Diagnosegerät selbst zum Untersuchen der Kräfte und der Kompressionsbalance der Zylinder anzugeben, wodurch die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Erfiiidungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensmäßig durch Vorsehen eines die sub-zyklische Motorgeschwindigkeit erfassenden, Momentangeschwindigkeitssignale hervorbringenden Geschwindigkeitsmeßschaltkreises erreicht der an einen eine Speicher- und Verarbeitungseinheit aufweisenden Prozessor angeschlossen ist; Betreiben des Motors bei gleichzeitigem Sammeln von Signalen des Geschwindigkeitsmeßschaltkreises an mehreren mit winkelmäßigem Abstand im Maschinenzyklus befindlichen Positionen; Zuordnen der Positionen zu entsprechenden Zylinerzündintervallen; Eingeben der Signale in den Prozessor, der für jedes Zündintervall die Signale quadriert und dadurch die kinetische Energie an jeder der Positionen repräsentierende Funktionen hervorbringt, und eine der Differenz zweier kinetischen Energien zweier Zündintervalle entsprechende Funktionen liefert
Weiter wird die Aufgabe vorrichtungsmäßig durch Einrichtungen gelöst, welche die Motorgeschwindigkeit über einen relativ kurzen Zeitraum an mehreren, mit winkelmäßigem Abstand voneinander angeordneten Positionen im Maschinenzyklus bestimmen; durch Einrichtungen, die die Positionen mit den Zylinderzündintervallen korrelieren; und Verarbeitungseinrichtungen, die ein Signal hervorbringen, das durch quadrieren der gemessenen Geschwindigkeitssignale für jede Winkelposition, zum Erhalt der kinetischen Energie, aus diese Positionen repräsentierenden Funktionen erhalten wird, und Subtrahieren der Funktionen quadrierter Signale zweier mit winkelmäßigem Abstand voneinander angeordneter Positionen, wobei die beiden Winkelpositionen Anfang und Ende jedes Intervalles aufweisen.
Erfindungsgemäß werden Mittel zum Messen der Momentangeschwindigkeit des Triebwerkes vorgesehen und, während eines Beschleunigungslaufs des Triebwerks, Messungen der Momentantriebwerksgeschwindigkeit während mindestens eines vollständigen Zyklus' des Triebwerks genommen und abgespeichert. Bei im wesentlichen der gleichen Triebwerksgeschwindigkeit werden die Momentangeschwindigkeiten während eines Bremslaufes des Triebwerkes wiederum über mindestens einen Betriebszyklus gemessen. Eine Funktion, die die Änderung der kinetischen Energie während jedes Zündintervalls repräsentiert, wird während jedes Zündintervalls bei der Beschleunigung berechnet und ebenfalls während jeden Zündintervalls während des Abbremsens. Für jedes Zündintervall werden beide Funktionen subtrahiert, um die Arbeit jedes Zylinders zu erhalten.

Insbesondere betrifft die Erfindung also eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Einrichtung zum Analysieren des Verhaltens von Verbrennungsmotoren wie Dieselmotoren mit sich hin- und herbewegenden Kolben. Sensoren sind mit dem Triebwerk verbunden, welche auf unterschiedliche Betriebsparameter ansprechen, wobei Signale, die diese Parameter repräsentieren, zu Computerverarbeitungseinrichtungen übertragen werden. Ein Geschwindigkeitssensor spricht auf die Bewegung eines Triebwerkteils wie die Zähne eines Triebwerkschwungradzahnkranzes an, wobei der Prozessor eine Funktion berechnet, die die Änderung in der momentanen kinetischen Energie des

Triebwerkes repräsentiert. Die Daten der Änderung der kinetischen Energie werden während eines Triebwerksbeschleunigungslaufes gesammelt und wiederum während eines Triebwerksbremslaufes. Die Signale von einem Triebwerksumdrehungssensor werden so verarbeitet, daß sie die Zündintervalle der Zylinder anzeigen und mit ihrer Hilfe die Treibwerksbeschleunigungs- und Bremsdaten korrelierbar sind. Die Änderungen in der kinetischen Energie während der Zylinderzündintervalle werden während der Triebwerksbeschleunigung gemessen, wobei die Änderungen der kinetischen Energie wiederum während dem Abbremsen gemessen werden und die beiden Meßsätze bei im wesentlichen der gleichen Triebwerksgeschwindigkeit erhalten wurden. Für jeden Zylinder wird die Bremsmessung von der entsprechenden Beschleunigungsmessung subtrahiert, um die durch jeden Zylinder produzierte Netto-Arbeit zu erhalten. Ein ähnliches Verfahren kann durchgeführt werden, um die Arbeit, die in Segmenten jedes Zündintervalls durchgeführt wird, zu erhalten, um dadurch die Kompressionsbalance der Zylinder zu überprüfen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert ist Dabei zeigt

F i g. 1 eine Ansicht des Triebwerkes, welches eine erfindungsgemäße Diagnose-Einrichtung einschließt;

F i g. 2 ein Blockdiagramm, welches die Diagnose-Einrichtung detaillierter zeigt;

Fig.3 ein Blockdiagramm eines Geschwindigkeitsmessungsabschnitts der Einrichtung;

Fig.4 bis 6 Kurven, welche die Betriebsweise des Triebwerks und der Einrichtung illustrieren; und

F i g. 7A bis 7S einen Metacode, welcher die Betriebsweise eines Prozessors der erfindungsgemäßen Einrichtung darstellt

In der F i g. 1 ist ein Triebwerk 10 dargestellt, welches ein Standardverbrennungsmotor wie ein Dieseltriebwerk der NH-Serie, ein sechs-Zylinder-Reihen-Motor, wie er durch Cummins Engine Company, Inc. hergestellt wird, sein kann. Ein derartiges Triebwerk schließt einen Motorkopf 11, einen Motorblock 12, eine Ölwanne 13 und ein Kipphebelgehäuse 14, welches an der oberen Seite des Motorkopfes 11 befestigt ist, ein. Die (nicht gezeigten) Kolben des Triebwerkes bewegen sich innerhalb von Zylindern (ebenfalls nicht gezeigt) auf und ab und sind derart angeschlossen, daß sie eine Kurbelwelle 66 drehen. Auf einem Schwungrad auf der Kurbelwelle ist ein Zahnkranz 62 befestigt, wobei die Zähne 63 an dem Zahnkranz einzeln mit einem Startmotor (nicht gezeigt) zum Starten des Triebwerkes in Eingriff stehen.

Eine Vielzahl von Treibstoffeinspritzern 16 spritzen zugemessene Mengen Treibstoff in die Zylinder ein, nachdem die in die Zylinder eingelassene Luft in den Zylindern genügend komprimiert wurde, um Kompressionszündung der entstehenden brennbaren Mischung hervorzurufen. Die Einspritzer 16 können vom Einheitstyp sein, welcher die Merkmale von Einspritzern aufweist, wie sie in der US-PS 33 51 288 gezeigt sind. Eine gemeinsame Treibstoffversorgungsleitung 17 verbindet die Einspritzer 16 mit einer Treibstoffversorgungseinrichtung, welche eine Treibstoffpumpe 18 mit den in der US-PS 31 39 875 gezeigten Charakteristika einschließt Die Treibstoffpumpe 18 zieht Treibstoff 19 von einem Reservoir oder einem Treibstofftank 21 und bildet eine gesteuerte Treibstoffquelle für den der Treibstoffversorgungsleitung 17 zugeführten Treibstoff. Ein Drosselventil ist in der Treibstoffpumpe 18 eingebaut und erlaubt es dem Betreiber des Triebwerkes, den Treibstoffdruck, der den Einspritzern zugeführt wird, zu regulieren. Mit jedem der Einspritzer 16 ist eine Treibstoffrückführleitung 24 verbunden, welche Treibstoff von den Einspritzern 16 zum Treibstofftank 21 befördert.

Das Triebwerk 10 schließt weiterhin eine Turboladereinheit 30 ein, welche konventioneller Bauart sein kann. Die Turboladereinheit 31 schließt eine Turbine ein, welche Triebwerksabgase von einer Abgaseinheit 32 empfängt und schließt weiterhin einen Kompressor ein, welcher über eine Leitung 33 mit einer Luftansaugeinheit des Triebwerkes verbunden ist.

Das Triebwerk 10 schließt weiterhin eine Schmiereinheit ein, um ein Schmiermittel wie öl durch die unterschiedlichen betrieblichen Teile des Triebwerkes im Kreis zu führen. Die Schmiermitteleinheit schließt eine Schmiermittelpumpe 41 ein, welches das Schmiermittel von einem Reservoir im Kurbelwellengehäuse und der ölwanne 13 abzieht und das Schmiermittel unter Druck zu einer Schmiermittelrippenpassage 42 im Motorblock pumpt Der Druck in der Rippenpassage 42 wird mittels eines Druckregelventils 43, welches in einer Bypassleitung 44, welche über die Schmiermittelpumpe 41 angeschlossen ist, geregelt.

Eine Anzahl mechanischer Kupplungen, welche durch unterbrochene Linien in F i g. 1 gezeigt sind und die Bezugszeichen 67 und 69 tragen, verbinden die Kurbelwelle 66 mit der Treibstoffpumpe 18 und der Schmiermittelpumpe 41.

Eine erfindungsgemäße Diagnoseeinheit ist vorgesehen, welche einen Umdrehungssensor (CEM-Sensor) 51 einschließt der bevorzugt im Kipphebelgehäuse 14 angeordnet ist und auf die Bewegung eines betrieblichen Teils des Triebwerkes anspricht Beispielsweise kann dieser Umdrehungssensor 51 ein Sensor des Typs von Näherungs-Magnetspulen sein, welcher benachbart dem Kipphebel, welcher den Einspritzer 16 des Zylinders Nr. 1 beaufschlagt, befestigt sein. Dieser Kipphebel dreht sich während dem Einspritzen, welches gegen Ende des Kompressionshubs des Kolbens des Zylinders Nr. 1 stattfindet, wobei diese Bewegung den Umdrehungssensor 51 veranlaßt, ein Umdrehungssignal gegen Ende des Kompressionshubs des Kolbens des Zylinders Nr. 1 hervorzubringen. Dieses Umdrehungssignal wird für die Überprüfung von Triebwerksparametern, wie im folgenden beschrieben, verwandt

Die Diagnoseeinheit schließt weiterhin einen Triebwerksgeschwindigkeitssensor 61 ein, welcher benachbart der äußeren Peripherie des Schwungradzahnkranzes 62 des Triebwerks 10 befestigt ist Die Fig.3 illustriert ein Beispiel des Triebwerksgeschwindigkeitssensors 61 und der mit ihm verbundenen Schaltkreis. Der Sensor 61 besitzt zwei mit Abstand angeordnete Elemente 91,92, welche beim gegenwärtigen Ausführungsbeispiel variable verzögerte magnetische Sensoren sind. Die Zähne 63 bringen bei Bewegung im Uhrzeigersinn zuerst Signale im Element 91 und dann im Element 92 hervor. Ein Oszillator 93 ist mit einem Zähler 94 verbunden, welcher durch die Zahnimpulse der Elemente gesteuert ist Ein Puls des Elements 91 betreibt über die Schaltkreise 96, 97 das In-den-Zählzustandversetzen oder Starten des Zählers 94 und ein Impuls von Element 92 betreibt diesen über die Schaltkreise 98, 97, um den Zähler aus den Zählerzustand zu nehmen oder anzuhalten. Der zu jedem Zahn gehörige Zählimpuls wird durch den Prozessor 29 gelesen. Jeder Zählimpuls ist direkt dem Zeitintervall (At) proportional, in welchem sich ein Zahn von einem Element 91 zum anderen Element 92

bewegt, und umgekehrt proportional der augenblicklichen Geschwindigkeit des Zahnkranzes. Ein Faktor zum Umrechnen der gelesenen Zählimpulse in Triebwerksumdrehungen pro Minute kann als Eingabe in den Prozessor 29 vorgesehen sein, die auf physikalischen Messungen, wie beispielsweise dem Abstand X zwischen den Elementen 91,92 sowie dem Radius R der Elemente 91, 92 beruht, oder kann innerhalb des Prozessors aufgrund von Signalen des Umdrehungssensors 51 berechnet werden. Der Umdrehungssensor 51 ist über die Schaltkreise 95, ähnlich den Schaltkreisen 96 bis 98, mit einem Umdrehungszählregister 100 verbunden. Das Signal von dem Oszillator 93 ist durch den Dividierer 99 mit dem Umdrehungszählregister 100 verbunden, wobei der Ausgang des Umdrehungszählregisters 100 an Datenzuführleitungen des Prozessors 29 angeschlossen ist.

Die Diagnoseeinheit schließt weiterhin eine Anzahl von weiteren Triebwerkssensoren ein, welche einen Treibstoffdrucksensor 27, angeschlossen in der Treibstoffversorgungsleitung 17, einen Schmiermitteldrucksensor 46, angeschlossen in der Rippenpassage 42 und einen Luftansaugeinheitsdrucksensor 34, angeschlossen in der Luftansaugeinheit, einschließen. Die Sensoren 51, 61 sind mit einem Zählerzeitgebermodul 22 verbunden. Die Sensoren 27, 34, 46 sind an einem Analog-Digitalkonverter 23 angeschlossen, wobei die Komponenten 22, 23 mit den Steuer- und Datenzuführleitungen des Prozessors 29 verbunden sind. Der Prozessor 29 liefert Ausgangssignale zu einer Ausgabeeinheit 70, welche beispielsweise sichtbare Anzeigen und permanente Aufzeichnungen liefern können.

Die F i g. 2 zeigt die Diagnoseeinheit detaillierter. Der Prozessor 29 schließt eine Verarbeitungseinheit 71 und eine Speichereinheit 72 ein. Eine Betriebsschalttafel 73 ist mit der Verarbeitungseinheit 71 verbunden, bildet Mittel, mittels derer der Betreiber Informationen und Instruktionen eingeben kann und schließt die Ausgabevorrichtung 70 ein. Der Prozessor verwendet das Signal des Umdrehungssensors 51, wobei dieser in einer derartigen Stellung dargestellt ist, um die Bewegung eines Kipphebels 74 für einen Einspritzerstößel 76 zu messen. Ein Nocken 77 bewegt den Stößel 76 in einem Injektionshub gegen Ende des Kompressionshubs. Die Komponenten 22,23,29,73 können beispielsweise Standardprodukte der Texas Instruments Company aufweisen.

Die F i g. 4 stellt die Änderung des Triebwerksdrehmoments an der Kurbelwelle und dem Zahnkranz für einen sechs-Zylinder-vier-Takt-Reihenmotor dar. Das Drehmoment ändert sich oder fluktuiert, wie gezeigt um das mittlere absorbierte Drehmoment, wobei das Triebwerk bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit betrieben wird. Die Kurbelwelle macht zwei vollständige Umdrehungen für jeden Triebwerkszyklus, wobei das Zündintervall jedes Zylinders 120° lang ist Drehmoment-Peaks 101 bis 106 treten während der Verbrennungshübe der Zylinder auf, wobei der relativ niedrige Peak 104 das Charakteristikum eines mit zu wenig Treibstoff versorgten Zylinders darstellt Der obere Totpunkt (TDC) am Beginn des Verbrennungshubs von Zylinder Nr. 1 ist durch die Zahl 108 bezeichnet Wenn ein Zylinder-Verbrennungsintervall in drei gleiche 40°-Segmente geteilt wird, so ist bei einem normalen Zylinder etwa 52% der Gesamtarbeit im ersten Segment und 87% dieser Gesamtarbeit am Ende des zweiten Segments geleistet worden. Bei einem Zylinder, weleher schlecht aufgrund ungenügender Verbrennung arbeitet wird beispielsweise etwa 40% der Gesamtarbeit während dem ersten Segment und sind 80% der Gesamtarbeit am Ende des zweiten Segmentes geleistet.

Die Fig. 5 zeigt das ausgegebene Drehmoment, aufgetragen gegen den Kurbelwinkel eines einzelnen Zylinders über ein Verbrennungsintervall und zeigt die Drehmomentsdifferenz zwischen Triebwerksbeschleunigung und Abbremsung. Die Beschleunigungskurve 111 repräsentiert die Bedingung, bei der Kraft produziert wird, wie während eines vollständig offenen Drosselventils und freier Triebwerksbeschleunigung, wobei sie den hohen Drehmoment-Peak, der durch das Verbrennen des Treibstoffes hervorgerufen wird, zeigt. Der Peak auf der Abbremskurve 112 wird durch die Ausdehnung von Luft im Zylinder ohne Treibstoffverbrennung produziert, da während dem Bremsen keine Kraft hervorgebracht wird. Die Kurve 112, insbesondere die Schulter 113, zeigt den Effekt der Kompression im nach der Verbrennungsordnung darauffolgenden Zylinder und die Trägheits-Drehmomente. Natürlich wird die Kurve 111 sich ändern und eine unzuverlässige Anzeige der Kraftbalance darstellen, wenn die Kompressionsund Drehmomenteinflüsse, die in Kurve 112 gezeigt sind, sich von Zylinder zu Zylinder ändern. Einrichtungen nach dem Stand der Technik, welche lediglich auf der Beschleunigungsgeschwindigkeit basierten, sind nicht dazu befähigt, diese Faktoren aus der Betrachtung auszuschließen.

Wenn die Bremskurve 112 von der Beschleunigungskurve 110 subtrahiert wird, wird das Drehmoment oder die Arbeitsleistung aufgrund der Verbrennung von Treibstoff für einen einzigen Zylinder abgeleitet, und das Drehmoment für einen normalen Zylinder über einen Zyklus wird durch die Kurve 114 in der Fig.6 repräsentiert. Durch Subtrahieren der Beschleunigungsund Bremskurven zur Herstellung der Kurve 114, wie es erfindungsgemäß stattfindet, wird eine Anzahl Faktoren eliminiert, wie offensichtliche Geschwindigkeitsvariationen aufgrund von Zahnkranzfehlern, Variationen in der Trägheit der rotierenden Triebwerksteile, Variationen in der Kompressionsarbeit der Zylinder und die Triebwerksreibung. Das Integal der Kurve 114 repräsentiert also die durch einen einzigen Zylinder über ein Brennintervall produzierte Arbeit. Die Kurve 116 ist eine ähnliche Kurve, zeigt jedoch einen beschädigten Zylinder und zeigt dabei die niedrigere Arbeitsleistung oder Drehmoment eines schlechten Zylinders.

Um die durch jeden Zylinder produzierte Arbeit erfindungsgemäß zu bestimmen, und dadurch die Kräftebalance der Zylinder zu bestimmen, werden die Geschwindigkeitssignale des Triebwerksgeschwindigkeitssensors 61 und die Umdrehungssignale des Umdrehungssensors 51 zu dem Prozessor 29 gegeben, welcher gemäß dem in den F i g. 7A bis 7S dargestellten Metacode arbeitet

Um die durch jeden Zylinder produzierte Arbeit erfindungsgemäß zu bestimmen, und dadurch die Kräftebalance der Zylinder zu bestimmen, werden die Geschwindigkeitssignale des Triebwerksgeschwindigkeitssensors 61 und die Umdrehungssignale des Umdrehungssensors 51 zu dem Prozessor 29 gegeben, dessen Betriebsweise anhand der nachstehenden Erläuterung des Metacodes beschrieben wird.

Allgemein weist die Erfindung das Messen einer augenblicklichen Triebwerksgeschwindigkeit unter Verwendung des Triebwerksgeschwindigkeitssensors 61 auf, wobei diese Geschwindigkeitsmessungen in Größen At oder dem Zeitintervall vorgenommen werden, welches ein Zahn 63 benötigt, um sich von einem Element 91 zum anderen Element 92 zu bewegen. Der Win-

kelabstand, gemessen in Zahnkranzzähnen 63 von einem Umdrehungssignal zum nachfolgenden oberen Totpunkt und die Winkeiabstände zwischen aufeinanderfolgenden oberen Totpunkten werden zur Identifikation der Lage der oberen Totpunkte bestimmt. Während eines Beschleunigungslaufs mit ausgewählter Geschwindigkeit werden die Zeitintervalldaten für mindestens einen vollständigen Zyklus des Triebwerksbetriebs erhalten. Eine Funktion, welche die Änderung der kinetischen Energie von jedem Ort des oberen Tot-Punktes bis zum nächsten nachfolgenden oberen Totpunkt repräsentiert, wird durch Quadieren der Winkelgeschwindigkeiten an beiden oberen Totpunkten und Auffinden deren Differenz bestimmt. Ähnliche Zeitintervallmessungen bei der gleichen Triebwerksgeschwindigkeit werden während dem Abbremsen gemacht, wobei die Funktionen, welche die Energie über die Brennintervalle repräsentieren, bestimmt werden. Für jedes Brennintervall wird sodann die Änderung der kinetischen Energie beim Bremsen von der Änderung der kinetischen Energie beim Beschleunigen subtrahiert. Diese Änderung in kinetischer Energie hängt mit der durch das Triebwerk geleisteten Arbeit über die Beziehung

²⁵

Κ/β = 11(ω] - ω})

zusammen.

Die während eines Verbrennungsintervalls geleistete Arbeit wird hauptsächlich durch die Verbrennung von Treibstoff in dem Zylinder bestimmt, dessen Krafthub während des ersten untersuchten Verbrennungsintervalls stattfindet. Die Arbeiten der verschiedenen Zylinder können sodann verglichen oder geordnet werden, um die Kraftbalance zu erhalten.

Die kinetische Energie an jedem Augenblick ist eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 66 und des Zahnkranzes 62. Bei einer Überprüfung eines freien Triebwerkes, d. h., daß kein Drehmoment (T) extern durch ein Dynamometer oder eine andere Last absorbiert wird, wird die Drehmomentfluktuation durch eine Minderung der Triebwerksbeschleunigung repräsentiert, entsprechend der Funktion T= I ■ », wobei / das Trägheitsmoment (Intertialmoment) und λ die Winkelbeschleunigung ist. Bei dem hier beschriebenen Verfahren zum Messen der Triebwerksgeschwindigkeit, Bestimmen der Triebwerksgeschwindigkeit, Bestimmen der Triebwerksgeschwindigkeitssensor 61 und die zügehörigen Schaltkreise das Zeitintervall At, welches einen Zahn benötigt, um sich von einem Sensorelement zum anderen zu bewegen. Das Zeitintervall ist eine umgekehrte Funktion der Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes wie folgt:

/C₁

60

Die kinetische Energie ist
KE= γ ■ I-ω².

wobei / die Triebwerksträgheit und Ki eine Konstante ist.

Die augenblickliche Triebwerksgeschwindigkeit hängt dementsprechend mit dem augenblicklichen abgegebenen Drehmoment und der kinetischen Energie des Triebwerkes zusammen.

Eine Umdrehungsmarke wird durch den Umdrehungssensor 51 hergestellt, welcher bei diesem Ausfiihrungsbeispiel einen Puls gerade vor dem oberen Totpunkt des Zylinders Nr. 1 abgibt. Der Doppelpolige Sensor ist der Triebwerksgeschwindigkeitssensor 6t. Αώ² wird in dem Programm durch eine Variable repräsentiert, welche damit eine Funktion der Änderung der kinetischen Energie über ein Winkelintervall ist. Weiterhin wird vom doppelpoligen Triebwerksgeschwindigkeitssensor ein Zeitintervall du abgenommen.

Wenn die kinetische Energie über einen Triebwerkszyklus gegen die Zeit aufgetragen wird, wird der Punkt, an dem das Drehmoment aufhört, absorbiert zu werden und anfängt, hergestellt zu werden, durch einen Nullübergang vom Negativen zum Positiven gekennzeichnet. Dieser Übergang fällt im wesentlichen mit dem oberen Totpunkt zusammen, wenn die Kompression endet und die Expansion beginnt. Dementsprechend kann die Lage des oberen Totpunktes jedes Brennintervalls durch Aufzeichnen der Änderung der kinetischen Energie und Finden der positiven Nullübergänge lokalisiert werden. Die Übergangsdaten werden abgespeichert. Der Abstand der Umdrehungsmarke zum nächsten Nullübergang, gemessen in Zahnkranzzähnen, wird ermittelt

Weiter ist eine Kraftbalance-Routine vorgesehen. Der Betreiber wird dazu veranlaßt, unerschiedliche Informationen, welche das zu überprüfende Triebwerk beschreiben, einzugeben. Bestimmte Daten können auf einem konventionellen Medium wie einer Bandkassette oder einer »Floppy Disc« abgespeichert werden. Diese Daten können entsprechend einer Triebwerksmodellzahl oder eines Codes, welcher durch den Betreiber eingegeben wird, zugänglich gemacht werden. Dann muß der Betreiber keine detaillierten Informationen, die zur Durchführung der Überprüfung notwendig sind, liefern.

Die durchzuführende Überprüfung ist die Kraftbalance, wobei einer oder mehrere Läufer oder Untersuchungen durchgeführt werden können. Als Schwellenwerte können beispielsweise bei einem Beschieunigungsiauf Zeitintervalldaten des Triebwerks von beispielsweise 600 Umdrehungen pro Minute bis auf 2400 Umdrehungen pro Minute zur Kraftbalanceprüfung bei etwa 1000 Umdrehungen pro Minute gesammelt werden. Ein Triebwerk des bereits beschriebenen Typs beschleunigt mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 Umdrehungen pro Minute pro Triebwerkszyklus; daraus folgend kann die augenblickliche Schwellengeschwindigkeit, welche das Datensammeln initiert, etwa 800 Umdrehungen pro Minute sein. Während des nachfolgenden Bremslaufes kann die augenblickliche Schwellengeschwindigkeit bei etwa 1050 Umdrehungen pro Minute gesetzt sein, um Daten bei etwa 1000 Umdrehungen pro Minute gesetzt sein, um Daten bei etwa 1000 Umdrehungen pro Minute zu sammeln, da ein Triebwerk sehr viel langsamer bremst, als daß es beschleunigt

Der Getriebezahn, welcher dem Auftreten einer Umdrehungsmarkierung entspricht, wird bestimmt. Die positiven Nullübergänge, welche den oberen Totpunkten entsprechen, werden bestimmt und die entsprechenden Getriebezähne identifiziert Diese Informationen sowie die Zündordnung ermöglich es, die Orte der oberen Totpunkte in Zahnkranzzähnen auszudrücken. Diese Daten werden in der Kraftbalance-Überprüfung, wie bereits bemerkt, benutzt.

Die Betriebsweise der Einrichtung kann wiederum

einfach wie folgt zusammengefaßt werden: Die augenblicklichen Geschwindigkeitsdaten werden in Form von Zeitintcrvallen Δι akkumuliert, wobei die Daten von dem Triebwerksgeschwindigkeitssensor 61 und dem Zählerzeitgeber 94 empfangen werden. Andere Daten werden von Anfang an in die Einrichtung eingegeben, wie die Anzahl der Punkte oder der ^f-Messungen, die durchgeführt werden sollen und die Triebwerksschwellengeschwindigkeiten, bei denen Meßwerte genommen werden sollen. Die Werte werden in einem Puffer gespeichert, der ebenso ein Signal von dem Umdrehungssensor empfängt. Der Puffer speichert die At-Werte und liefert einen Index, welcher die Lage des zir-Wertes identifiziert, der zu gleicher Zeit wie das Signal des Umdrehungssensors auftritt. In einem Unterprogramm werden die Daten akkumuliert und verarbeitet zur Vorbereitung für die Beschleunigungs- und Bremsläufe.

Die augenblickliche kinetische Energie wird aus den Inversen der At²-Werte berechnet. Der Prozessor verwendet das Umdrehungssensorsignal und die Nullübergangsdaten und liefert eine Identifikation des Umdrehungs-Signals folgenden oberen Totpunktes des Zylinders. Die Abweichung wird in Zahnkranzzähnen von einem Umdrehungssensor-Signal zum nächsten positiven Übergang berechnet. Aus der Triebwerkszündfolge und der Gesamtanzahl von Zähnen auf dem Zahnkranz berechnet der Prozessor die Anzahl der Zähne des Zahnkranzes zwischen den oberen Totpunkten, welches das Intervall zwischen den Kraftschüben ist. Auf diese Art und Weise wird die Anzahl von Getriebezähnen vom Umdrehungssensor-Signal zum oberen Totpunkt jedes Zylinders berechnet. Der Prozessor berechnet auch die augenblicklichen Umdrehungen des Triebwerkes pro Minute, wobei entsprechende Umrechnungsfaktoren verwandt werden.

Nachdem die Daten während des Beschleunigungslaufs akkumuliert wurden, werden die Zeitintervallmessungen an den Totpunkten der Zylinder verwandt, um die Änderung der kinetischen Energie von einem oberen Totpunkt zum nächsten oberen Totpunkt zu berechnen. In ähnlicher Weise wird nach dem darauffolgenden Brcmslauf die Änderung der kinetischen Energie zwischen den oberen Totpunkten während des Bremsen berechnet. Die kinetischen Energieänderungen werden mit den dazugehörigen Zylindern oder Zündintervallen korrelierl, unter Verwendung bereits aufgearbeiteter Daten. Unter Verwendung der Messungen für jeden Zylinder oder Zündintervall wird die Änderung der kinetischen Energie während der Beschleunigung subtrahiert, um die Arbeit jedes Zylinders zu ergeben. Zum Vergleich der Zylinder können die Arbeitswerte gemittell werden und die Mittelwerte der Zylinder geordnet werden.

Anstatt die Daten in lediglich einem Beschleunigungslauf und einem Bremslauf zu sammeln, kann eine Anzahl von Beschleunigungsläufen durchgeführt werden, und deren Daten gemittelt, und eine Anzahl von Bremsläufen durchgeführt und diese Daten gemittelt werden.

Die Einrichtung kann auch die Kompressionsbalance der Zylinder bestimmen. Der Prozessor empfängt das Zeitintervall und die Umdrehungssignale. Es wird eine niedrige Schwellengeschwindigkeit in ihm eingestellt, welche sich unterhalb der normalen niedrigen Leerlaufgeschwindigkeit befindet Wenn die Geschwindigkeit genügend niedrig ist, und der Treibstoff abgestellt wird, um Bremsen bei niedriger Geschwindigkeit hervorzurufen, wird die Variation der Inertialkräfte zwischen den Zylindern klein, verglichen mit den Gaskräften und daraus folgend ändert sich die kinetische Energie über ein Segment eines Zündintervalls, wie 40°, wobei der vorhergehende obere Totpunkt TDC die Kompressionsarbeit, die an dem Gas geleistet wird, repräsentiert. Der Prozessor empfängt die Daten, teilt jedes Zündintervall in eine Anzahl Segmente auf und berechnet die Änderungen der kinetischen Energie in jedem Segment. Es können beispielsweise drei gleiche 40° -Segmente in jedem Intervall sein. Die Daten für die den oberen Totpunkten gerade vorangehenden Segmente werden verglichen und geordnet, um die relative Kompressionsarbeit der Zylinder zu bestimmen.

Aus dem Vorangehenden wird offensichtlich, daß eine neue und nützliche Einrichtung geliefert wurde, um den Zustand der Zylinder eines Triebwerks zu diagnostizieren. Die Einrichtung bestimmt die Kraftbalancen und ist befähigt, einen schwachen Zylinder zu identifizieren, indem die kinetische Energie des Triebwerks gemessen wird. Bei diesem Verfahren wird eine Anzahl von Fehlerfaktoren durch Subtraktion der Energie während dem Bremsen von der Energie während dem Beschleunigen eliminiert. Die Arbeit für jeden Zylinder wird auf diese Art und Weise bestimmt. Bevorzugt wird die Arbeit bestimmt, indem zuerst die Änderung der kinetisehen Energie über die Zündintervalle der Beschleunigung und Bremsen gemessen wird und anschließend die Differenz gebildet wird, da dieses Verfahren, wie beschrieben, ohne Zögern durchgeführt werden kann. Nichtsdestoweniger umfaßt der Erfindungsgedanke auch andere Einrichtungen zum Messen dieser Arbeit zu umschließen, wie beispielsweise durch Nehmen einer Anzahl von Ablesungen bei einer Anzahl von Winkelpositionen über jedes Intervall, sowohl während der Beschleunigung als auch während des Bremsens; Korrelieren dieser Ablesungen bei jedem Winkel, Bestimmen der Differenz bei jedem Winkel und Berechnen der Arbeit aus diesen Differenzen. Die Einrichtung eignet sich auch für Bestimmen der Kompressionsbalance durch Messen der Änderungen der kinetischen Energie über den Teil jedes Intervalls, das dem oberen Totpunkt während des Kompressionshubs direkt vorangeht.

Während des Diagnostizierens der Kraftbalance oder der Kompressionsbalance können die Werte für die Zylinder zur Auswertung durch den Betreiber des Systems ausgegeben werden, der Prozessor kann automatisch die Zylinder einordnen, oder die Werte können mit akzeptablen Vergleichswerten verglichen werden. Selbstverständlich können auch andere Berechnungen oder Überprüfungen, die auf Berechnungen der kinetischen Energie beruhen, durchgeführt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines Diagnosegerätes für Zylinder von Mehrzylinderverbrennungsmotoren, wobei jedem Zylinder ein Zündintervall zugeordnet ist, und die Zündintervalle aller Zylinder einen Arbeitszyklus bilden, gekennzeichnet durch Vorsehen eines die sub-zyklische Motorgeschwindigkeit erfassenden, Momentangeschwindig- to keitssignale hervorbringenden Geschv/indigkeitsmeßschaltkreises, der an einen eine Speicher- und Verarbeitungseinheit aufweisenden Prozessor angeschlossen ist; Betreiben des Motors bei gleichzeitigem Sammeln von Signalen des Geschwindigkeits- is meßschaltkreises an mehreren mit winkelmäßigem Abstand im Maschinenzyklus befindlichen Positionen; Zuordnen der Positionen iu entsprechenden Zylinderzündintervallen; Eingeben der Signale in den Prozessor, der für jedes Zündintervall die Signa-Ie quadriert und dadurch die kinetische Energie an jeder Positionen repräsentierende Funktionen hervorbringt, und eine der Differenz zweier kinetischen Energien zweier Zündintervalle entsprechende Funktionen liefert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während des gleichen Zündintervalls gemessenen Signale an zwei Winkelpositionen des Maschinenzyklus, eingeschlossen den Anfang und das Ende des Zündintervalls, gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zündintervall den Kompressionshub einschließt und die beiden Winkelpositionen während dieses Kompressionshubs liegen.

4. Diagnosegerät für Zylinder von Mehrzylinderverbrennungsmotoren, wobei jedem Zylinder ein Zündintervall zugeordnet ist und die Zündintervalle aller Zylinder einen Arbeitszyklus bilden, gekennzeichnet durch Einrichtungen (61,62,63,91,92), welche die Motorgeschwindigkeit über einen relativ kurzen Zeitraum an mehreren, mit winkelmäßigem Abstand voneinander angeordneten Positionen im Maschinenzyklus bestimmen; Einrichtungen, die die Positionen mit den Zylinderzündintervallen korrelieren; und Verarbeitungseinrichtungen (29), die ein Signal hervorbringen, das durch Quadrieren der gemessenen Geschwindigkeitssignale für jede Winkelposition, zum Erhalt der kinetischen Energie, aus diese Positionen repräsentierende Funktionen erhalten wird, und Subtrahieren der Funktionen quadrierter Signale zweier mit winkelmäßigem Abstand voneinander angeordneter Positionen, wobei die beiden Winkelpositionen Anfang und Ende jedes Intervalles aufweisen.

5. Diagnosegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Zündintervalle einen Kompressionshub einschließt, und daß die beiden Winkelpositionen während des Kompressionshubs auftreten.

6. Verfahren zum Betreiben eines Diagnosegerä- eo

ic» für Zylinder νύΰ mcufZyniidci vci Ui cmiuiigsinutoren, wobei jedem Zylinder ein Zündintervall zugeordnet ist und die Zündintervalle aller Zylinder einen Arbeitszyklus bilden, gekennzeichnet durch Vorsehen eines die sub-zyklische Motorgeschwindigkeit erfassenden Geschwindigkeitsmeßschaltkreises, ein Mittel zur Kennzeichnung eines regelmäßig auftretenden Ereignisses im Triebwerkszyklus; Betreiben des Triebwerks in einem ersten und zweiten Betriebszustand; und Eingeben der erhaltenen Signale in eine Verarbeitungseinrichtung, die zum Quadrieren der Triebwerksgeschwindigkeitsdaten und Erhalt von Änderungen in der Funktion der quadrierten Signale während des Triebwerkszyklus und dadurch Indentifizieren jedes Zündintervalls, Korrelieren der identifizierten Zündintervalle mit den Zylindern über die Kennzeichnung des Merkmals, Quadrieren der Triebwerksgeschwindigkeit während eines ersten Betriebszustandes des Triebwerks, um die Änderungen in der Funktion der kinetischen Energie über jedes der Zündintervalle zu erhalten. Quadrieren der Triebwerksgeschwindigkeit während eines zweiten Betriebszustands des Triebwerks, um die Änderungen in der Funktion der kinetischen Energie über jedes der Zündiiitervalle zu erhalten und Bestimmen der Differenz zwischen den erst- und zweitgenannten Änderungen, befähigt ist

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebszustand ein Beschleunigen des Triebwerkes ist, während die Differenz die Energie während jedes Zündintervalls angibt

8. Diagnosegerät für Zylinder von Mehrzylinderverbrennungsmotoren, wobei jeder der Zylinder ein Zündintervall besitzt und die Intervalle aller dieser Zylinder einen Triebwerkszyklus bilden, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Messen subzyklischer Triebwerksgeschwindigkeit über einen relativ kurzem Zeitraum (61,62,63,91,92) an einer Vielzahl von mit winkelmäßigem Abstand angeordneten Positionen im Triebwerkszyklus; Einrichtungen, die in Antwort auf die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung zum Quadrieren der Triebwerksgeschwindigkeitssignale zum Erhalt der Änderungen der Funktion der kinetischen Energie über jedes der Zündintcrvalle während eines ersten Betriebszustands befähigt sind; Einrichtungen zum Quadrieren der Triebwerksgeschwindigkeiten über jedes Zündintervall während eines zweiten Betriebszustands des Triebwerks; und Einrichtungen zum Bestimmen der Differenz zwischen der Funktion der kinetischen Energie für jedes der Intervalle.

9. Diagnosegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Einrichtungen zum Kennzeichnen eines regelmäßig in jedem der Triebwerkszyklen auftretenden Ereignisses und Verarbeitungseinrichtungen, die in Antwort auf die Einrichtung zum Kennzeichnen eines Ereignisses (62, 63) und auf die Triebwerksgeschwindigkeitsmeßeinrichtungen die Zündintervalle identifizieren, aufweist.

10. Diagnosegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Zylinder und das dazu gehörige Zündintervall eine obere zentrale Totpunktposition besitzt und daß die Verarbeitungseinrichtung (29, 96, 97, 98, 99) zur Identifikation der zentralen Totpunktposition arbeitet.

11. Diagnosegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Betriebsweise die Be-

des iviuitjrs und uic zwciic

weise das Bremsen des Motors aufweist.

12. Diagnosegerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung zum Subtrahieren der Funktionen der Änderungen der kinetischen Energie während des Bremsens von den Funktionen der Änderungen der kinetischen Energie während des Beschleunigens zum Erhalt der

Arbeit jedes der Zündintervalle befähigt sind.

13. Diagnosegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk ein sich bewegendes Teil (66) mit einer Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten indexpunkien besitzt, und daß die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung zwei mit Abstand voneinander angeordnete Meßelemente (91, 92), angeordnet benachbart dem sich bewegenden Teil, einschließt, und daß ein Schaltkreis an die Meßeinrichtung zum Messen des Zeitintervalls, das jeder der Indexpunkte zur Bewegung von einem der Elemente zum nächsten Flement benötigt, angeschlossen ist