CN100557214C - 用于检测发动机故障的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测发动机故障的改进的方法，其特别适于船舶上使用。该方法特别涉及具有在壳体内与活塞相连接的曲轴的内燃发动机的故障检测。该方法包括确定壳体和壳体外部区域之间的压力差。如果该压力差与表征故障的压力差极限值相比较表明该压力差大于表征故障的压力差极限值，则指示出现故障。根据该方法，在衰减壳体外部区域的压力变化，使得持续时间等于或小于限定故障特性时间段的压力变化受到抑制的同时，通过将壳体内存在的压力与壳体外部区域的压力相比较而确定压力差。

Description

用于检测发动机故障的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种检测内燃发动机中故障的方法和系统。该方法和系统尤其适用于船舶上发动机故障的检测。该方法特别涉及具有在壳体内与活塞相连接的曲轴的内燃发动机故障的检测。可检测的故障是在故障特性时间段中使壳体内产生的预定压力增大的类型。该方法包括确定壳体内的压力以及壳体外部区域的压力之间的压力差。如果将该压力差与表征故障的压力差极限值相比较显示该压力差大于表征故障的压力差极限值，这样即指示故障存在。该系统包括具有与壳体内部相连接的第一压力入口和与壳体外部区域相连接的第二压力入口的压力差确定装置，它借此而确定壳体内部压力与壳体外部区域压力之间的压力差。系统进一步将确定的压力差与表征故障的压力差极限值相比较，并且如果压力差大于表征故障的压力差极限值，则指示出故障存在。
背景技术
船舶上发动机曲轴箱爆炸每年都会发生几次，因为它们经常导致个人发动机报废以及导致发动机和周围发动机舱的巨大破坏，所以人们作出了很多努力以避免爆炸。当油雾形成于发动机内部时曲轴箱内爆炸即会发生。油雾高度易爆，并且能够被发动机中的热点点燃。如果发动机内部的部件在其上运行高温润滑油，且该润滑油在较冷区域蒸发并冷凝为小液滴，这样即形成了前述的油雾。该雾气可以被产生雾气的相同部件引燃。当在发动机内部发生雾气爆炸时，所产生的压力波能够使大量未燃烧的油扩散至发动机外部，在外部它们能够被其他热源点燃并进一步加剧之前爆炸的影响。
船运业中使用油雾探测器来检测油雾的存在。然而油雾探测器受到大量的误警报的困扰，并且因为要通过减小发动机负载或停机来避免油雾的进一步产生，船舶将因此而降低操纵性能，例如在港内操纵期间可能会导致碰撞。因此船运业非常需要减少误警报的数量。此外，油雾探测器相对较为昂贵。
除油雾产生故障之外，也有故障因可检测的窜气(blow-by gas)而产生，其使得构成发动机壳体一部分的曲轴箱中的压力增加。窜气经过活塞环周围的间隙而进入曲轴箱。
EP777041公开了检测发动机中窜气的传感器，使得评价发动机的性能成为可能。传感器将文氏管(venturi)与压力差传感器结合起来。压力传感器接收来自文氏管中两个位置处的输入值并基于压力差评价发动机的性能。
FR2641575中公开了检测造成发动机中压力增大的故障的另一种方法。这里使用了具有光探测系统的压力计。压力计的一侧与发动机壳体相连接，而另一侧则与机舱大气相连接。在压力计的两个管脚(tube leg)之间是节流器以防止因船舶摇晃而引起的压力计流体上下运动。然后当压力差达到由光探测系统检测到的某一极限时，即认为这表示即将发生的发动机故障。NL6600131和JP4019312中也或多或少的公开了类似的系统。这些系统并没有在船运业中获得大范围的使用。一个原因可能是它们容易发生误警报。当发动机舱中的压力降下来时误警报将会发生。这会被检测为增大的压力差，但是通常都不是由发动机故障引起的。当进入发动机舱的维修门开启时，这样的压力降即会发生，因为发动机舱内的压力比船舶其他地方的压力更高。呈现出更高的压力，原因是发动机的涡轮增压器从发动机舱抽取空气而为保证舱内足够的空气，空气被吹入舱内。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于检测发动机故障的改进的方法，尤其适于船舶上使用。
为实现上述目的，根据本发明一个方面，提供了一种检测内燃发动机故障的方法，所述内燃发动机在壳体内具有与活塞相连接的曲轴；所述故障在故障特性时间段内在壳体中产生的预定压力增大；该方法包括以下步骤：
-确定壳体内压力和壳体外部区域压力之间的压力差；
-将所述压力差与表征故障的压力差极限值相比较，并且如果压力差大于表征故障的压力差极限值，则指示出现故障；
所述压力差是通过将壳体内存在的压力与压力变化被衰减之后的壳体外部区域的压力相比较而确定的，所述壳体外部区域的压力变化被衰减，以便抑制持续时间等于或小于所述故障特性时间段的压力变化。
优选地，所述故障特性时间段为30秒。
优选地，所述的方法还包括当所述压力差大于所述表征故障的压力差极限值时降低发动机转数的步骤。
优选地，所述的方法还包括当所述压力差大于所述表征故障的压力差极限值时停止发动机的步骤。
根据本发明另一方面，提供了一种检测内燃发动机故障的系统，所述内燃发动机在壳体内具有与活塞相连接的曲轴；所述故障在故障特性时间段内在壳体中产生预定的压力增大；该系统包括具有与壳体内部相连接的第一压力入口以及与发动机壳体外部区域相连接的第二压力入口的压力差确定装置；所述系统确定壳体内部压力与壳体外部区域压力之间的压力差，并且将确定的压力差与表征故障的压力差极限值相比较，如果所述压力差大于所述表征故障的压力差极限值，则指示出现故障，其特征在于：所述发动机壳体外部区域通过抑制压力变化的衰减装置而与所述第二入口相连接。
优选地，所述衰减装置抑制持续时间等于或小于所述故障特性时间段的压力变化。
优选地，所述压力差确定装置包括基于硅芯片的压力差传感器。
优选地，所述衰减装置包括可透气的膜。
优选地，所述膜是聚四氟乙烯膜或氟化乙丙烯膜。
根据本发明的方法，在使壳体外部区域的压力变化有所衰减，从而持续时间等于或小于故障特性时间段的压力改变得到抑制的同时，通过将壳体内呈现的压力与壳体外部区域的压力相比较而确定压力差。许多种发动机故障会在等于或小于故障特性时间段的持续时间内使发动机壳体内的压力增大到一预定压力。绝大多数情况下，这些时间小于30秒，例如为5到10秒。在一些情况下，这些持续时间与发生在壳体外部区域，例如发生在发动机周围的发动机舱中的压力下降持续时间相同。发动机舱内这样的压力降可由如上所述由发动机舱检修门的开启而产生。如果压力差增大到超过表征故障的压力差并且壳体外部发生的压力变化并未衰减，将会无法区分需要有所动作的发动机故障以及像将发动机舱检修门打开这样无害的事件。两种事件都可能引发警报，这常常会是误警报。但是通过减小发动机壳体外部区域中持续时间等于或小于故障特性时间段的压力变化，像由开启发动机舱检修门而引起的这样的压力降即可得到抑制，从而检修门的开启不再会产生误警报。通过根据该方法的检测，误警报的数量减小了，从而获得改善的故障检测。
大多数使发动机壳体内产生的预定压力增大的故障会在30秒内产生压力增大，因此抑制持续时间等于或小于这一时间段的压力变化是足够的。
如果持续时间高达故障特性期三倍的压力变化得到抑制，则实现了更高程度的可靠性。
如果当压力差大于表征故障的压力差极限值时降低发动机转数，那么可以阻止或至少减小该故障产生的进一步损坏。若发动机在这样的情况下停机，那么可以实现相同的目的。
发明的另一方面是提供一种用于检测故障的改进的系统。这可以使发动机壳体外部区域通过抑制压力变化的衰减装置与第二入口相连接来实现。
通过提供衰减装置来抑制持续时间等于或小于故障特性时间段的压力变化，从而防止那些引起误警报的压力变化影响到压力确定设备。
基于硅芯片的压力传感器的使用使得系统不受船舶摇晃的影响。另外这些传感器比较便宜且具有足够的精度。
如果衰减装置包括可透气的膜，则可对壳体外部区域的压力变化的衰减实现精确的控制，因为膜的物理尺寸，例如厚度和孔径大小，决定膜的衰减性能可被控制到较高的程度。所述可透气的膜可以由聚四氟乙烯(PTFE)或氟化乙丙烯(FEP)制成。
附图说明
以下将参考附图对本发明优选的实施例进行描述，其中：
图1表示船舶中发动机舱的概略图。
图2表示具有本发明故障检测系统的二冲程柴油机的横截面视图。
具体实施方式
图1中发动机舱1包括内燃发动机2，特别是二冲程柴油机。该发动机的细节表示于图2中。发动机2包括发动机壳体3。壳体的一部分由曲轴箱11形成。壳体3内有至少一个(通常为多个)设置为往复运动于汽缸中的活塞4。活塞通过连杆5与曲轴6相连接，通过这样的设置，活塞的往复运动转换成曲轴6的旋转运动。曲轴6与船用推进器(未示出)相连接并产生船舶的驱动力。活塞的往复运动是靠燃油喷射器在燃烧室8上方喷射的柴油的燃烧而产生的。燃烧过程所需的空气通过连接于涡轮增压器(未示出)的进气口7而提供，而燃烧过程产生的废气则通过流经排气门9而进入排气口10，以从燃烧室8中清除。
发动机由检测发动机故障的系统所检测。系统包括具有例如为基于硅芯片的传感器的压力差传感器13的压力差确定装置17，以及监测单元18。压力差确定装置17的第一入口12与发动机壳体的内部流体连通，从而壳体内的压力可扩散到第一入口12。装置17的第二入口14与发动机舱通过节流阀流体连通，构成压力脉冲衰减装置15的一部分，很大程度上以与电子领域可获知的低通滤波器相同的方式工作。透气膜16优选地构成节流阀，这样的膜可由聚四氟乙烯(PTFE)或氟化乙丙烯(FEP)制成。这些材料形成的透气膜可以通过改变其厚度和孔大小来提供正确的节流特性。另一个优点是该节流特性并不会受到发动机舱中总是存在的润滑油或润滑脂很大的影响。形成节流阀的另一种方法是在发动机舱和传感器之间流体连通处设置小横截面积及预定长度的钻孔，例如设置在压力差确定设备的入口中。通过改变长度和横截面积即可控制节流阀的节流特性。然而，这样的节流阀对润滑油会更加敏感，因为润滑油会进入钻孔并因此较严重地干扰到传感器和发动机舱之间的流体传输。压力差确定装置将产生一表示壳体内压力和壳体外部区域压力之间压力差的信号。监测单元处理这一信号。如果压力差增大高过表征故障的压力差极限值，则该单元将指示出发动机故障的存在，例如通过向轮机组给出警报。然后，轮机组将能够采取必要的措施以使故障所产生的损害能够被阻止或至少被减少。这些措施包括降低发动机转数或停机。不过这些措施也可以由监测单元自动启动。
当发动机运行时，涡轮增压器从发动机舱中抽取空气且空气因此而恒定地吹入舱内以保证有足够的空气存在。这在舱内产生了少许的过剩压力。该过剩压力约等于10mBar。为了提供通向几乎完全关闭的发动机舱的入口而安装有入口舱门。因为舱外的压力为大气压力，因此当舱门开启时舱内的压力会减小。一旦舱门开启压力则开始下降，并且持续下降直到发动机舱内压力等于大气压力或者舱门关闭。发动机舱门的开启和关闭通常会花几秒钟，因此在相应的时间段期间压力会下降。
大多数突然发生的增大发动机壳体内压力的发动机故障会在30秒钟时间内产生的预定压力增大；一些故障在5到10秒内产生压力增大，一些则甚至更快。
如果没有衰减装置，则两种情况都会产生故障警报，即使它们不是同时发生，因为它们都会导致发动机壳体和发动机舱之间增大的压力差。然而，因为压力差确定设备带有衰减装置，所以有可能将发生在发动机舱内以及发生在发动机壳体内的压力变化区别开。本发明的系统的辨别能力极大地提高了系统的可靠性。
前面所述是运用发动机壳体内压力和发动机舱内压力之间的压力差来检测发动机故障。由于发动机舱作为发动机壳体内压力的基准，所以情况会这样。压力将会在比故障特性时间段长很多倍(几分钟)的一时间段里将自己调节为发动机舱内呈现的压力，然而如果发动机壳体内的压力将自己调节到不同的基准，那么即选择这一基准而不是发动机舱内的压力
压力差确定设备也可以大体上通过在设备中提供两个绝对压力传感器而实现。各个区域的压力通过绝对压力传感器测量而得。接下来减去两个测量值并确定出压力差。然而，绝对压力传感器成本高，并且需要两个绝对压力传感器来获得压力差。两个绝对压力传感器的使用会给出具有更高不确定性的压力差测量。
系统可以结合其他船舶上已有的故障检测系统来使用，例如检测发动机轴承温度的系统。

Claims (9)

1、一种检测内燃发动机故障的方法，所述内燃发动机在壳体内具有与活塞相连接的曲轴；所述故障在故障特性时间段内在壳体中产生的预定压力增大；该方法包括以下步骤：
-确定壳体内压力和壳体外部区域压力之间的压力差；
-将所述压力差与表征故障的压力差极限值相比较，并且如果压力差大于表征故障的压力差极限值，则指示出现故障；
其特征在于：
所述压力差是通过将壳体内存在的压力与压力变化被衰减之后的壳体外部区域的压力相比较而确定的，所述壳体外部区域的压力变化被衰减，以便抑制持续时间等于或小于所述故障特性时间段的压力变化。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述故障特性时间段为30秒。
3、根据前述权利要求中任意一个所述的方法，其中，还包括当所述压力差大于所述表征故障的压力差极限值时降低发动机转数的步骤。
4、根据权利要求1或2所述的方法，其中，还包括当所述压力差大于所述表征故障的压力差极限值时停止发动机的步骤。
5、一种检测内燃发动机故障的系统，所述内燃发动机在壳体内具有与活塞相连接的曲轴；所述故障在故障特性时间段内在壳体中产生预定的压力增大；该系统包括具有与壳体内部相连接的第一压力入口以及与发动机壳体外部区域相连接的第二压力入口的压力差确定装置；所述系统确定壳体内部压力与壳体外部区域压力之间的压力差，并且将确定的压力差与表征故障的压力差极限值相比较，如果所述压力差大于所述表征故障的压力差极限值，则指示出现故障，其特征在于：
所述发动机壳体外部区域通过抑制压力变化的衰减装置而与所述第二入口相连接。
6、根据权利要求5所述的系统，其中，所述衰减装置抑制持续时间等于或小于所述故障特性时间段的压力变化。
7、根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述压力差确定装置包括基于硅芯片的压力差传感器。
8、根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述衰减装置包括可透气的膜。
9、根据权利要求8所述的系统，其中，所述膜是聚四氟乙烯膜或氟化乙丙烯膜。
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