DD210976A1 - Verfahren zur druckmessung an hubkolbenmotoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Hubkolbenmaschinen, insbesondere jedoch auf Verbrennungsmotoren. Ziel und Aufgabe der Erfindung sind die Messung des dynamischen Druckes, insbesondere in den Zylindern von Verbrennungsmotoren, ohne dabei eine mechanische Schwaechung von Bauteilen vornehmen zu muessen und ohne das Verbrennungsverfahren selbst negativ zu beeinflussen. Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass die Verformung vorzugsweise ueber unmittelbar am Zylinderkopfboden angeordnete Dehnmessstreifen gemessen wird und der gewonnene Messwert direkt genutzt werden kann, da sich die Verformung des Zylinderkopfbodens meistenteils linear zum Zylinderdruck verhaelt. Eventuelle Messwertverfaelschungen durch Eigenfrequenzen und Waermeeinfluesse werden entsprechend eliminiert. Die Messergebnisse werden durch eine entsprechende Schaltung direkt ablesbar gemacht.

Description

Titel der Erfindung Verfahren zur Druckmessung an Hubkolbenmaschinen Anwendungsgebiet der Erfindung

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Hubkolbenmaschinen und weiter unter Druck stehende abgeschlossene Behälter, an denen hohe dynamische Drücke gemessen werden sollen·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bisher üblichen Verfahren für die Messung des Druckes in den Zylindern von Hubkolbenmaschinen· insbesondere dabei Hubkoibenverbrennungsmotoren, und in den anderen im Anwendungsgebiet genannten Behältern sind dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mechanischen Eingriff in den Zylinderraum bzw· Innenraum des Druckbehälters, in der Regel durch Anlegung eines Meßkanals zum Anschluß eines zumeistpiezoelektrischen Meßgebers erforderlich machen· Diese Verfahren haben die Nachteile, daß sie im gewissen Maß beispielsweise bei Hubkoibenverbrennungsmotoren den eigentlichen Verbrennungsvorgang beeinflussen, und daß ein störender mechanischer, aus räumlichen Gründen nicht immermöglicher Eingriff vorzunehmen ist, bei dem eine Schwächung des Zylinderkopfes auftritt« Weiterhin beeinflußt der Kanal die Messung selbst«

1äQKT. 1982*041717

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Die Erfindung hat das Ziel« eine Lösung zur Messung des dynamischen Druckes, insbesondere in den Zylindern von Verbrennungsmotoren zu finden« ohn© die Nachteil© der bis· herigen Verfahren zu wiederholen«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Messung des dynamischen Druckes« insbesondere in den Zylindern von Verbrennungsmotoren zu finden, ohne dazu eine mechanische Schwächung von Bauteilen vornehmen zu müssen und ohne das Verbrennungsverfahren selbst negativ zu beeinflussen·

Bei der Motorenentwicklung sowie bei der Oberprüfung von Großmotoren ist die Messung des dynamischen Druckes im Zylinder (Druckindizierem) unentbehrlich, weil sie genauere Aussagen über den Verbrennungsprozeß gestattet* Im Gegensatz zu den bisher gebrauchlichen Verfahren soll die Messung ohne mechanischen Eingriff in den Zylinderraum realisiert werden«

Der Grundgedanke des Verfahrens beruht auf der Messung der Verformung insbesondere plattenartiger Bereich© des Zylinderkopfbodens bei Vorhandensein eines entsprechenden Innendruckes im Zylinder« Die Messung wird aber im G@gensatz zu den bekannten Druckmeßverfahren nach dem Verformungsprinzip nicht indirekt (zum Beispiel über eine Meßmembran), sondern direkt durchgeführt« Dabei dient der Zylinderkopfboden als Meßmembran« Da der Zylinderkopf in der Regel aus metallischem Werkstoff gefertigt ist, und die Verformungen unterhalb der Streckgrenze liegen, ist die Verformung linear zum Zylinderdruck« Bei keraraischen oder anderen Werkstoffen des Zylinderkopfes ist die entsprechen* de Verformungskennlinie zu berücksichtigen« Di® Messung der Verformung erfolgt vorzugsweise über Dehnmeßstreifen,

„„ α._βu όνοι αυυπ uurcn andere verfahren (ζ« Β« induktiv, kapazitiv, piezoelektrisch) möglich· Günstig lassen sich elektrische Signale auswerten·

Das Meßsignal wird vorzugsweise elektronisch ausgewertet· Das Meßsignal, d· h· der Verformungsweg, wird durch einenMeßwertgeber erfaßt· Unmittelbar an diesem Meßwertgeber wird durch einen Temperaturgeber dessen Temperatur gemessen, um im folgenden Rechenglied eine Temperaturkompensation für den wärmebedingten Meßfehler des Meßwertgebers durchführen zu können· Der Effekt der Temperaturkompensation kann auch z· B. durch eine geeignete Brückenschal tung erreicht werden, wobei die entsprechenden Bauelemente an der Meßstelle anzuordnen sind« In einem schaltungstechnisch folgenden Filter werden die Frequenz(en) der Eigenschwingungen des Zylinderkopfbodens aus dem Meßsignal er-forderlichenfalls eliminiert« In einem Rechenglied wird die Temperaturkompensation für das Elastizitätsmodul des Zylinderkopfbodens durchgeführt» Dabei wird die vom Meßwertgeber signalisierte Oberflächentemperatur des Zylinderkopfbodens als repräsentative Temperatur zugrunde gelegt·Oa diese Temperaturmessung wegen des Temperaturgefälles im Zylinderkopfboden nicht exakt ist, muß das zeitliche und räumliche Temperaturfeld bei der Eichung und Messung berücksichtigt werden· Die Temperaturkompensation für das Signal des Meßwertgebers und das Elastizitätsmodul desZylinderkopfbodens kann auch kombiniert über einen Temperaturgeber erfolgen· In einem Meßverstärker wird erforderlichenfalls das Signal so verstärkt, daß es für die Anzeige und/oder Aufzeichnung in einer Ausgabeeinheit geeignet ist· Für die optische Ausgabe werden vorzugsweise Oszillografen oder andere Bildschirmsichtgeräte verwendet, die die.gleichzeitige Darstellung weiterer dynamischer Größen ermöglichen· Die Aufzeichnung kann z. B« fotografisch vom Bildschirm oder durch andere übliche Verfahren wie Magnetband, Magnetspeicher usw« erfolgen·

Zur Abstimmung des Filters auf die Eigenfrequenzen des Zylinderkopfbodens wird die Meßanordnung ohne das Filter

autgeDaut dzw« aas niter uueiuiuünu ιμιηηη@ιιι nj.i u vi«m zylinderkopf boden (montiert am Motor) durch einen kurzzeitig aufgebrachten Impuls (z. B« plötzlich© Druckänderung im Zylinder, mechanisches Aufschlagen an ein© geeignete Stelle am Zylinderkopf o. ä.) zum Schwingen angeregte Di® auftretenden Schwingungen erfolgen nach d@m Erregungsimpuls in der (den) Eigenfrequenz(en) des Zylinderkopfbodens«. Die auszufilternden Eigenfrequenzen sind dem Meßergebnis, das eine Ausgabeneinheit ausgibt, zu entnehmen« Da die Eigenfrequenz z(en) des Zylinderkopfbodens wesentlich größer als die bei der Messung interessierenden Frequenzen sein müssen, reicht eine einfache Ausfilterung des Frequenzbereiches einschließlich und oberhalb ca. 80 % der niedrigsten Eigenfrequenz aus. Ansonsten empfiehlt ©s sich, die Eigenfrequenz f_{£i im} Bereich

auszufiltern.

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Die obere Grenzfrequenz der Meßanordnung beträgt etwa die .10 Hälfte der niedrigsten Eigenfrequenz« Ist diese zu niedrig, so ist die Verformungsmessung an einem steiferen Abschnitt des Zylinderkopfbodens durchzuführen·

Die Eichung der Meßeinrichtung erfolgt statisch. Dazu wird bei geöffnetem Einlaß- oder Auslaßventil durch den ent-

L15 sprechenden Kanal oder bei geschlossenen Ventilen über die Zündkerzen-, Einspritzdüsen- oder Glühkerzenbohrung oder eine andere Öffnung eine definiert© Druckbaaufschlagung vorzugsweise mit einem Gas vorgenommen« Da di© Abdichtung des Zylinderraumes meistens nicht absolut gasdicht ist, muß eine ständige Gaszufuhr bei als konstant anzusehenden Druck gewährleistet worden. Es empfiehlt sich, die Eichung bei der Kolbenstellung im oberen Totpunkt und di© Druckbeaufschlagung durch eine der o. g» Bohrungen zu realisieren, weil dabei der Prüfgasbedarf relativ gering ist« Bei einer linearen Kennlinie der Meßeinrichtung muß nicht unbedingt über den gesamten Meßbereich geeicht werden« Bsi Motoren mit ventilloser Einlaß-/Auslaßst©u@rung (z, B₉ Zweitaktmotoren) gilt die Eichtechnologi© sinngemäß*

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll im folgenden an Hand zweier Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigen die Figur 1 die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Anordnung und Figur 2 eine schematische Darstellung der Eichmöglichkeit.

Auf die wasserumspülte Seite am Zylinderkopfboden wird ein Dehnmeßstreifen 1 aufgeklebt. Ein zweiter Dehnmeßstreifen 1 wird auf eine in der Nähe liegende Versteifung aufgeklebt, so daß beide Dehnmeßstreifen 1 nahezu den gleichen Temperaturen ausgesetzt sind. Beide Dehnmeßstreifen sind ein-schließlich ihrer Anschlüsse wassergeschützt, z. B. durch einen Oberzug aus Silokonkautschuk. Sie sind mit den Widerständen 2 so in Brücke geschaltet, daß eine Temperaturkompensation für die Dehnmeßstreifen 1 realisiert wird. In der Auswerteeinheit 4 der Dehnmeßstreifen 1 wird die Spannungsdifferenz der Brücke unter Berücksichtigung des erforder lichen Nullabgleiches verarbeitet. Der elektrische Anschluß für die Dehnmeßstreifen 1 wird durch eine Öffnung, die in eine Kühlwasserleitung einzuarbeiten ist, nach außen geführt, wobei, die Abdichtung mittels Gummi erfolgt. ImFilter 5 werden alle Signalbestandteile eliminiert, die im Frequenzbereich

ffc.o.e f_E0

liegen, wobei f_E0 die unterste Eigenfrequenz des zur Messung genutzten Teils des Zylinderkopfbodens let· DieseFrequenz wird entsprechend der Verfahrensbeschreibung ermittelt· Auf dem Bildschirmgerät 8 wird das Meßsignal bei zeitlicher Ablenkung in x-Richtung und erhöhter y-Ablenkung gemeinsam mit einer Zeitachse in x-Richtung dargestellt· Anhand der Zeitmarken ist eine Auszählung der Amplitudenin bestimmten Zeitintervallen und damit die Bestimmung derEigenfrequenz möglich« Hierauf wird das Filter 5 entsprechend der o. g. Festlegung abgestimmt· Zur Kontrolle wird das Verfahren zur Bestimmung der Eigenfrequenzen nochmals durch-

geführt, wobei aber das Filter 5 normal zugeschaltet wird« Bei einer Eigenfrequenzerregung darf auSer ©inera Anfangsimpuls kein Meßsignal angezeigt werden« Andernfalls ist die Eigenfrequenzausfilteruog falsch abgestimmt und muß wiederholt werden β

Im folgenden gelangt das Meßsignal in die-Recheneinheit 6, die für die Temperaturkompensation des Elastizitätsmoduls des Zylinderkopfbodens prograniraiert ist» Das Temperatur» signal liefert der Geber 3, der durch einen aufgeklebten Bügel auf den Zylinderkopfboden gedrückt wird und mit diesem metallischen Kontakt hat® Di© Eichung der Temperaturkompensation erfolgt durch di® Eichung d©r Meßanordnung bei unterschiedlichen Zylinderkopfteraperaturend.

Das korrigierte Drucksignal wird einem Mehrkanal-Bildschirmgerät 8 mit eingebautem Meßverstärker 7 zugeführte Zur Auswertung wird durch einen Volumenmodulator 9 der dem Kurbelwinkel zugeordnete Volumenverlauf al© elektrisches Signal zur Verfügung gestellt» Um für alle MeBsignale ®in© zeitliche Zuordnung zu geben, werden bestimmte Kurbelwinkelmarken durch die Markangeber 10 dem Bildschirmgerät 8 zugeführt· Auf dem Bildschirmgerät 8 läßt sich dem®nt©pre» chend der Druck ira Zylinder als Funktion der Zeit oder des Volumens darstellen*

Für die Eichung (Fig* 2) wird da® o® g_s Verfahren angewandt. Der Kolben 11 wird bei geschlossenen Ventilen in den oberen Totpunkt gebrachte In di© Bohrung für den Einspritzdüsenstock bzw« für die Zündkerze wird ein Anschlußstutzen 13 geschraubt, an den über eine Leitung die Hochdruck-Prüfgasflasche 16 mit dem Absperrventil 15 angeschlossen wird. Der statische Druck im Zylinder raus« 12 Krird durch das Manometer 14 bestimmt« Ober die Meßanordnung gemäß Figur 1 wird gleichzeitig der Druck gemessene Dieser Eichvorgang wird für verschiedene Drücke wiederholt«

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch

   Verfahren zur Druckmessung an Hubkolbenmaschinen, insbesondere des dynamischen Druckes in Zylindern von Verbren-nungsmotoren, aber für alle anderen Behälter geeignet, in denen dynamische Drucke auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung des Zylinderkopfbodens, die sich meistenteils linear zum Zylinderdruck verhält, direkt als mittelbarer Meßwert genutzt wird, und daß dazu die Verformungvorzugsweise über einen Dehnstreifen, der innerhalb desZylinderkopfes an geeigneter Stelle angeordnet wird, erfaßt wird, wozu aber auch alle anderen Möglichkeiten der Messung benutzt werden können, und mittels einer entsprechenden, dem Fachmann naheliegenden Schaltung ablesbar gemacht wird,daß weiter die Temperatur des Meßwertgebers, vorzugsweise des Dehnmeßstreifens gemessen wird und daraus eine Temperaturkompensation für wärmebedingte Meßfehler des Meßwertgebers vorgenommen wird, daß außerdem die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls des Zylinderkopfbodensdurch eine Korrektur in einer Recheneinheit auf der Basis einer Temperaturmessung des Zylinderkopfbodens realisiert wird, und das ferner erforderlichenfalls mittels eines Filters die Frequenzen der Eigenschwingungen des Zylinderkopfbodens aus dem Meßsignal eliminiert werden«

   (Hierzu
2. 2 Blatt Zeichnung)