專利名稱：確定活塞式發(fā)動機(jī)氣缸壓力的設(shè)備和帶此類設(shè)備的柴油機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定活塞式發(fā)動機(jī)燃燒室壓力的設(shè)備，以及具有上述設(shè)備的柴油機(jī)。
對于活塞式發(fā)動機(jī)，尤其對于多缸的大功率柴油機(jī)，要求各缸的功率盡可能保持均勻，或至少保持在很小的變化范圍之內(nèi)。此外，為了獲得盡可能高的功率，要求保持小的功率極限裕度。
眾所周知，大功率柴油機(jī)的氣缸蓋上設(shè)有所謂的示功器接孔，它可通過示功器旋塞直接與燃燒室相連。在此示功器接孔中裝上壓力傳感器，便可直接確定燃燒室內(nèi)的壓力變化。
然而，由于燃燒室內(nèi)的環(huán)境條件惡劣，所以并不能始終保證連續(xù)和精確地測量壓力，從而不能保證持續(xù)和精確地計量氣缸功率。傳感器必須能長時期地耐高溫、高壓和交變載荷而不損壞。此外，燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕性相當(dāng)強(qiáng)，而且有在示功器接孔和傳感器上積炭的很大危險性。因此，除短期使用外，這些辦法是不合算的，也就是說，這些辦法不適用于長期工作。所以，通過打開示功器接孔的示功器旋塞，短時間使用傳感器，使之只是用于周期性測量，來限制它們進(jìn)行臨時測量。
于是，為了使發(fā)動機(jī)的各氣缸不過載，必須不得不相對于最大允許功率保持足夠大的功率裕度，以保證各缸決不超過最大允許功率。
還已知，借助于裝在氣缸頭(蓋)上的測力傳感器，通過間接測量測定氣缸頭的變形，并以此為基礎(chǔ)確定燃燒室內(nèi)的壓力。這些測量裝置需要比較經(jīng)常地用標(biāo)準(zhǔn)計量裝置來重新校準(zhǔn)，而且所測得的壓力變化常常受因干擾引起誤差的困擾。
本發(fā)明的目的是提供一種沒有上述缺點(diǎn)的設(shè)備以及具有這類設(shè)備的柴油機(jī)。
按照本發(fā)明，上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，這種確定活塞式發(fā)動機(jī)燃燒室壓力的設(shè)備，其特征為設(shè)有測量由活塞推動的發(fā)動機(jī)零件上的壓力和/或拉力，以及，以可沿活塞運(yùn)動方向移動的發(fā)動機(jī)零件上所確定的壓力值為基礎(chǔ)，確定燃燒室內(nèi)壓力值的裝置，通過此裝置產(chǎn)生與壓力值相應(yīng)的電信號。按本發(fā)明的柴油機(jī)配備有按本發(fā)明的設(shè)備。
對傳感器而言，曲軸箱或活塞下側(cè)換氣腔內(nèi)的環(huán)境條件要有利得多，這就有可能用比較簡單的工具，連續(xù)監(jiān)測燃燒室壓力。在大功率柴油機(jī)中，活塞通過活塞桿驅(qū)動曲軸，活塞桿基本上沿氣缸軸線方向往復(fù)運(yùn)動，并推動一個十字頭。十字頭再通過裝在十字頭與曲軸之間的連桿驅(qū)動曲軸。
壓力傳感器最好設(shè)在活塞與活塞桿之間，或設(shè)在活塞桿的十字頭一端。對于大功率柴油機(jī)，在活塞桿的十字頭一端裝入定距墊，以便能補(bǔ)償多缸發(fā)動機(jī)各缸之間可前發(fā)生的任何壓力差。現(xiàn)在可將一個設(shè)計為傳感器的間隔件裝在定距墊所在位置上。
柴油機(jī)的另一個問題是確定上死點(diǎn)和下死點(diǎn)，亦即確定活塞的上、下?lián)Q向點(diǎn)。在飛輪上的測量裝置(飛輪裝在曲軸上)，在工作時往往受數(shù)量級為若干度的角向誤差的困擾，典型地，此誤差可到3°，這對于后續(xù)的計算可能是太不準(zhǔn)確了。
若在活塞桿上裝一個加速度傳感器，例如壓電加速度傳感器，便能非常精確地確定上死點(diǎn)和下死點(diǎn)。加速度傳感器最好緊鄰壓力傳感器安裝，或與壓力傳感器在結(jié)構(gòu)上制成一個整體構(gòu)件。這就可以對燃燒室壓力進(jìn)行實(shí)時計算，因?yàn)樽饔迷趬毫鞲衅魃系陌l(fā)動機(jī)零件的質(zhì)量力和慣性力，可與真正的壓力分開確定。
因此，人們具有調(diào)節(jié)手段和能力，例如將各缸的著火點(diǎn)壓力調(diào)整為非常準(zhǔn)確和接近于最大允許的著火點(diǎn)壓力。還可以優(yōu)化各缸的效率，從而提高發(fā)動機(jī)的總效率。
軸承的潤滑，尤其在局部載荷區(qū)是非常重要的，因?yàn)樵跐櫥恳欢〞r，負(fù)荷過高會使軸承損壞，所以發(fā)動始終應(yīng)有安全裕度地工作。在持續(xù)監(jiān)測氣缸壓力并與此同時提高了防止軸承損壞的安全程度的情況下，此安全裕度可以規(guī)定得很小。
實(shí)時地監(jiān)測活塞力，還可以借助于典型的脈動效應(yīng)，提前識別活塞咬死的早期征兆，這種脈動在壓力曲線上也有反映。在致命的破壞可能在氣缸內(nèi)發(fā)生前，可以例如采取必要的防范措施，如降低氣缸性能或增加潤滑油量。
確定活塞式發(fā)動機(jī)燃燒室壓力的設(shè)備，包括測量壓力的傳感器和/或測量由發(fā)動機(jī)活塞推動的零件伸長量的傳感器。通過測量作用在由活塞推動的發(fā)動機(jī)零件上沿活塞運(yùn)動方向的壓力，可以推導(dǎo)出燃燒室內(nèi)的壓力。測量值的電信號作為計算燃燒室壓力的基礎(chǔ)。最好還測出在其上測量了力和壓力的發(fā)動機(jī)零件所受的加速度。因此，可以將慣性力和質(zhì)量力包括在氣缸壓力的確定之中，從而能簡單并可靠地確定沿曲軸旋轉(zhuǎn)的全部轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的氣缸壓力。由加速度信號可高度精確地確定每個氣缸的上死點(diǎn)(TDC)和下死點(diǎn)(BDC)，這對于后續(xù)的信號處理有重要意義。
此設(shè)備特別適用于低速大功率柴油機(jī)，這種發(fā)動機(jī)工作的轉(zhuǎn)速范圍約為50至200轉(zhuǎn)/分。在多缸發(fā)動機(jī)中最好用傳感器監(jiān)測每一個氣缸，傳感器測出的數(shù)值輸入一個共同的數(shù)據(jù)處理裝置。雖然在多缸發(fā)動機(jī)中每個氣缸有單獨(dú)的傳輸線通往信號處理裝置是有好處的，但也可以將來自多個氣缸的測量信號，通過至少部分共用的傳輸途徑進(jìn)行輸送。
下面借助于附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明，附圖示意表示了設(shè)備的實(shí)施例。
其中

圖1具有按本發(fā)明設(shè)備的柴油機(jī)側(cè)向剖面示意圖，其中，傳感器裝在活塞桿的十字頭一端，傳感器信號通過電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理裝置;
圖2具有按本發(fā)明設(shè)備的柴油機(jī)側(cè)向剖面示意圖，其中，傳感器裝在活塞桿的十字頭一端，傳感器信號用無線方式傳送給在曲軸箱內(nèi)的接收機(jī)，再從接收機(jī)傳到數(shù)據(jù)處理裝置;
圖3具有按本發(fā)明設(shè)備的柴油機(jī)側(cè)向剖面示意圖，其中，傳感器裝在活塞桿的活塞一端，傳感器信號用無線方式傳送給在曲軸箱內(nèi)的接收機(jī)，再從接收機(jī)傳到數(shù)據(jù)處理裝置。
圖1、圖2和圖3表示大功率柴油機(jī)1和氣缸11的剖面圖，活塞12在氣缸中運(yùn)動。噴油嘴13將燃油噴入燃燒室10?；钊?2通過活塞桿14、十字頭15和推力桿16(又稱連桿)推動發(fā)動機(jī)1的曲軸17。
活塞桿14所受的壓力以及加速度均被測量，用傳感器31測量壓力，傳感器32測量加速度，在圖1所示的柴油機(jī)中，這些傳感器裝在活塞桿14的十字頭一端。如圖所示，信號在通過信號與輸電線33送往信號處理裝置34之前，可在放大器300中進(jìn)行預(yù)先放大。在圖1所示的例子中，導(dǎo)線33沿軸承潤滑系統(tǒng)的鉸接桿18延伸。
用于燃油噴注系統(tǒng)13、37、用于監(jiān)測和警報系統(tǒng)36以及用于診斷系統(tǒng)35的控制和調(diào)節(jié)信號，要借助于數(shù)據(jù)處理裝置34，以傳感器31、32測得的值為基礎(chǔ)進(jìn)行處理。在所舉的例了中，數(shù)據(jù)處理在計算機(jī)38支持下進(jìn)行。壓力曲線、圖表和記錄等各種值，可在計算機(jī)38的屏幕上表示成圖表和/或曲線，或用圖中未表示的打印機(jī)打印出來。
當(dāng)絕對極限值(如最大允許氣缸壓力)被超過或當(dāng)反映壓力變化的壓力曲線超過極限峰值時，可例如發(fā)出警報。當(dāng)根據(jù)氣缸壓力曲線的變化預(yù)告活塞咬死時，也可以發(fā)出警報。
借助于按本發(fā)明的設(shè)備，可以監(jiān)控多缸發(fā)動機(jī)的均勻運(yùn)行、燃燒室內(nèi)的燃油燃燒的優(yōu)化或燃油噴注的噴注數(shù)據(jù)。
例如，可通過燃油噴注控制裝置，影響噴油量、噴油開始、噴油終止和/或噴油壓力。
在按照圖2所示的本發(fā)明設(shè)備中，預(yù)先放大的測量值信號通過帶天線30″的發(fā)射器30向帶天線33″的接收器33′發(fā)送，再從那里經(jīng)導(dǎo)線33傳往數(shù)據(jù)處理裝置34。測量值信號的進(jìn)一步計算和處理，可按已借助圖1說明的相同方式進(jìn)行。
圖3表示了柴油機(jī)的剖面，其中，按本發(fā)明的設(shè)備裝在活塞桿14的活塞端。在此結(jié)構(gòu)中，設(shè)備的傳感器裝在活塞與活塞桿之間，在活塞與活塞支座之間和/或在活塞桿中。
在此種結(jié)構(gòu)中，經(jīng)預(yù)先放大的測量值信號通過帶天線30″的發(fā)射器30向帶天線33″的接收器33′發(fā)送，再從那里經(jīng)導(dǎo)線33傳往數(shù)據(jù)處理裝置34。測量值信號的進(jìn)一步計算和處理可按已借助圖1說明的同樣方法進(jìn)行。圖2和圖3中的發(fā)射器30和接收器33′可例如用電池工作。
數(shù)據(jù)處理、燃油噴注、監(jiān)測和警報系統(tǒng)、以及診斷組件，所有這些可與計算機(jī)共同組合在一起，成為一個計算、控制和調(diào)節(jié)組件。所需數(shù)據(jù)(例如燃燒室壓力)的計算程序和方法是專業(yè)人員所熟知的，故此處無需具體討論和說明。
權(quán)利要求
1.確定活塞式發(fā)動機(jī)(1)燃燒室壓力的設(shè)備，其特征為設(shè)有測量由活塞(12)推動的發(fā)動機(jī)(1)零件上的壓力和/或拉力，以及，以可沿活塞(12)運(yùn)動方向移動的發(fā)動機(jī)零件(14)上所確定的壓力值為基礎(chǔ)，確定燃燒室(10)內(nèi)壓力值的裝置(31)，通過此裝置產(chǎn)生與壓力值相應(yīng)的電信號。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，由活塞推動的發(fā)動機(jī)(1)零件是活塞桿(14)或活塞(12)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，測量壓力和/或伸長值的裝置(31，300)的輸出信號，標(biāo)準(zhǔn)化為燃燒室(10)中的壓力值。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，包括測量已在其上測定了壓力值的發(fā)動機(jī)運(yùn)動零件(14)的加速度的裝置(32)，通過此裝置(32)產(chǎn)生與加速度值相應(yīng)的電信號。
5.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，測量加速度的裝置(32)和測量壓力的裝置(31)裝在發(fā)動機(jī)(1)的同一零件(14)上，它們最好彼此緊鄰，或合成一個單一的傳感器構(gòu)件(31、32)。
6.按照權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備，包括將壓力和/或加速度測量值信號傳輸給信號處理裝置(33″，33′，33，34-38)的裝置(30，30″)，信號處理裝置裝在發(fā)動機(jī)機(jī)體上或機(jī)體外的基座上。
7.按照權(quán)利要求6所述的設(shè)備，包括一個將測量值信號從傳感器(31、32)傳輸給數(shù)據(jù)處理裝置(34-38)的導(dǎo)線配置(33)。
8.按照權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，導(dǎo)線(33)沿鉸接桿(18)延伸。
9.按照權(quán)利要求6所述的設(shè)備，包括用于通過無線傳送測量值信號的發(fā)射器(30，30″)和接收器(33″，33′)。
10.按照權(quán)利要求1至9之一所述的設(shè)備，其中，測量壓力和加速度的裝置是壓電傳感器(31、32)。
11.按照權(quán)利要求1至10之一所述的設(shè)備，包括確定氣缸平均點(diǎn)火壓力(M IP，平均指示壓力)和/或活塞力變化的裝置(34，35，36，38)。
12.柴油機(jī)，尤其是低速二沖程柴油機(jī)(1)，它設(shè)有按照權(quán)利要求1至11之一所述之設(shè)備。
全文摘要
確定活塞式發(fā)動機(jī)燃燒室壓力的設(shè)備包括測量由發(fā)動機(jī)活塞推動的零件的壓力和/或伸長的傳感器。可根據(jù)測得的沿活塞運(yùn)動方向作用在零件上的壓力推導(dǎo)出燃燒室中的壓力。測量值的電信號作為計算燃燒室中壓力的基礎(chǔ)。最好還測量發(fā)動機(jī)零件的加速度。因此，可以將慣性力和質(zhì)量力包括在確定的氣缸壓力內(nèi)，從而能簡單并可靠地確定氣缸壓力。由加速度信號可以高度精確地確定每個氣缸的上死點(diǎn)和下死點(diǎn)，這對于后續(xù)的信號處理有重要意義。
文檔編號G01L3/24GK1109589SQ9411511
公開日1995年10月4日 申請日期1994年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月9日
發(fā)明者K·施維姆伯斯基 申請人:新蘇舍柴油機(jī)有限公司