CN102027219A - 磨损检测 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过识别预磨损事件的特征温度波动来检测大型多气缸二冲程柴油发动机中的预磨损事件的方法。该温度波动以该波动的波峰与波幅之间的时间间隔为特征。在检测到预磨损事件之后，可启动自动的应对手段。可自动结束应对手段。

Description

磨损检测
技术领域
本发明涉及一种用于检测大型二冲程柴油发动机中的磨损的方法，尤其涉及一种用于检测预磨损状况的方法、一种用于检测磨损状况的方法以及一种用于检测磨损状况的结束的方法。
背景技术
大型二冲程柴油发动机的运行中的故障会导致功率减少并对气缸和活塞造成损坏。功率损失会是显著的，并且在发动机不得不停止运行的情况下，这例如在将大型二冲程柴油发动机用作远洋船只的主电源时会导致很大的问题。
活塞环和缸套表面经历如斯特里贝克曲线(图1)所描述的所有三种磨损机制，该曲线使(粘度、载荷、速度)与摩擦系数相关联。这三种机制是边界润滑、混合润滑以及流体动力润滑。流体动力润滑是表面被油膜完全隔开的状况。如果载荷仅部分由油膜压力承载并且部分通过与粗糙面接触而被承载，那么该状况被称为混合润滑。如果全部载荷均由粗糙面承载并且仅有的隔离是薄的分子油膜，那么该状况被称为边界润滑。
在大型二冲程柴油发动机中，边界润滑总是以较小的程度存在于上死点(TDC)的周围，在上死点处，活塞的速度接近零。在正在发生孔磨光(bore polish)的情况下，边界润滑的量会上升到磨损将会发生的程度。
由于气缸润滑油是相对昂贵的并且功率减少也是不合要求的，因此现有的应对手段是昂贵的。因此，重要的是确定磨损状况是否已经不复存在以便能够及时取消应对手段。
发明内容
我们的研究已经表明当边界润滑达到临界值时，摩擦系数的改变将导致缸套表面温度的独特的温度波动方式。在任何磨损发生之前，该状况将存在约10分钟至20分钟之间的时期。在该时期中，可通过将警报系统连接于气缸注油器系统来手动地或自动地采取正确的对抗行为。
当检测到预磨损状况时，可相对于正常所需的用量增加气缸润滑油用量以防止磨损状态发生。另一种可能性是将警报系统连接于发动机的电子控制系统，该电子控制系统接着可以降低作用在相关的气缸上的载荷。参看视图，该状况被称为“高摩擦状况”。如果没有采取正确的措施，该状况将发展成为带有气缸缸套的严重磨损的磨损。磨损状况中的缸套温度能够稳定在较高程度。
在该背景下，本发明的目的是提供一种用于检测预磨损状况的方法。
通过提供一种用于检测大型多气缸涡轮增压二冲程柴油发动机中的预磨损状况的方法来实现该目的，该方法包括连续地或间歇地检测气缸的上部区域中的气缸壁温度，确定气缸的温度发展是否波动，并且在相关的气缸的温度波动的波峰或波谷被落入到预定范围中的时间间隔隔开，并且温度波动的波峰与波谷之间的温度差超过预定阈值时，发出预磨损警报。
我们的研究已经表明气缸壁温度波动的波峰之间或波谷之间的时间间隔以及波动的幅度是预磨损事件的最具特色的方面。通过确保温度波动的波峰或波谷之间的时间间隔落入到预定范围内，并且通过确保波峰与波谷之间的温度差超过预定阈值，在错误警报最少且未发出警报的预磨损事件最少的情况下，确保在预磨损发生时可靠地发出预磨损警报是可能的。
优选地，当至少带有预定数量的波动的序列出现时，才发出预磨损警报。由此，可进一步降低错误的预磨损警报的次数。
该方法可还包括将气缸润滑程度增加到位于用于针对其发出警报的气缸的正常运行的程度之上的程度。该应对手段用于防止更多的预磨损事件。
该方法可还包括将受载程度降低到位于用于针对其发出警报的气缸的正常运行的程度之下的程度。该应对手段用于防止更多的预磨损事件。
本发明的另一个目的是提供一种用于使用在大型多气缸二冲程柴油发动机中的方法，该方法用于在已经对气缸中的一个发出预磨损气缸警报之后已经采取应对手段时确定何时恢复至正常运行，该方法包括确定自应对手段启动之后已经经过的时间间隔，以及在时间间隔已经超过预定阈值之后，自动恢复至已经针对其发出预磨损警报的气缸的正常运行。
通过自动恢复至正常运行状况，与预磨损警报状况相关联的费用和不便之处可以被保持至最小程度。
优选地，逐渐地执行该恢复至正常运行。
本发明的另一个目的是提供一种用于检测大型多气缸涡轮增压二冲程柴油发动机中的磨损状况的方法，该方法包括连续地或间歇地测量气缸的上部区域中的气缸壁温度，并且在气缸的气缸壁温度高于其它气缸的平均温度超过预定值，或气缸的气缸壁温度超过预定的警报温度时，发出针对气缸的磨损警报。
通过提供一种用于检测磨损状况的方法，可采取应对手段以避免进一步损坏发动机。
优选地，当气缸的气缸壁温度的增加量以超过预定阈值的温度梯度发生时，才发出磨损警报。
该方法可还包括自动将气缸润滑从正常程度增加到增大程度并且将相关的气缸的载荷从正常程度降低到用于针对其发出警报的减小程度。
本发明的另一个目的是提供一种用于确定大型多气缸二冲程柴油发动机中的磨损事件已经结束的方法，该方法包括连续地或间歇地测量气缸的上部区域中的气缸壁温度，确定针对其发出磨损警报的气缸的气缸壁温度是否超过其它气缸的平均气缸壁温度小于给定阈值的值，或针对其发出磨损警报的气缸的气缸壁温度是否低于预先固定的气缸壁警报温度预定差值。
通过自动检测磨损已经结束，可采取措施以恢复至正常运行状况，并且与预磨损警报状况相关联的费用和不便之处可被保持至最小程度。
优选地，该方法还包括自确定磨损事件结束开始的预定延迟之后，自动恢复针对其发出磨损警报的气缸的正常运行。
本发明的另一个目的是提供一种装置以执行一种用于检测大型二冲程柴油发动机中的预磨损状况的方法。该装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，该温度传感器联接于处理器，该处理器被构造成用以确定气缸的温度发展是否波动，并且被构造成用以在相关的气缸的温度波动的波峰或波谷被落入到预定范围中的时间间隔隔开，并且温度波动的波峰与波谷之间的温度差超过预定阈值时，发出预磨损警报。
本发明的又一个目的是提供一种装置以执行一种用于在已经进行与预磨损警报相关的应对手段之后恢复至正常运行状况的方法，该装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，该温度传感器联接于处理器，该处理器被构造成用以确定自应对手段启动之后已经经过的时间间隔，并且该处理器被构造成用以在时间间隔已经超过预定阈值之后自动恢复至正常运行。
本发明的另一个目的是提供一种装置以执行一种用于在大型多气缸二冲程柴油发动机中发出磨损警报的方法，该装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，该温度传感器联接于处理器，该处理器被构造成用以在气缸的气缸壁温度高于其它气缸的平均温度超过预定值时，或在气缸的气缸壁温度超过预定的警报温度时，发出针对气缸的磨损警报。
本发明的另一个目的是提供一种装置以执行一种用于自动检测气缸的磨损状况在大型二冲程柴油发动机中已经不复存在的方法，该装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，该温度传感器联接于处理器，该处理器被构造成用以确定已经针对其发出磨损警报的气缸的气缸壁温度是否超过其它气缸的平均气缸壁温度小于给定阈值的值，或针对其发出磨损警报的气缸的气缸壁温度是否低于预先固定的气缸壁警报温度预定差值。
根据本发明的方法和装置的更多的目的、特征、优点以及特性从详细的描述中将是显而易见的。
附图说明
在下面的本说明书的详细部分中，将参照在附图中示出的示例性实施方式更详细地说明本发明，其中：
图1是示出了多种润滑机制的曲线图；
图2是多气缸发动机的单个气缸的顶部的横截面详图；
图3是根据本发明的实施方式的发动机的气缸、喷射系统、气缸润滑系统、温度感测系统和电子控制系统的图解概览图；以及
图4是示出气缸的气缸壁温度发展的曲线图，该温度发展示出了预磨损事件。
具体实施方式
图1示出了所谓的斯特里贝克曲线。活塞环和缸套表面经历了如该曲线所描述的所有三种磨损机制，该曲线使(粘度、载荷、速度)与摩擦系数相关联。这三种机制是边界润滑、混合润滑以及流体动力润滑。流体动力润滑是表面被油膜完全隔开的状况。如果载荷仅部分由油膜压力承载并且部分通过与粗糙面接触而被承载，那么该状况被称为混合润滑。如果全部载荷均由粗糙面承载并且仅有的隔离是薄的分子油膜，那么该状况被称为边界润滑。
在大型二冲程柴油发动机中，边界润滑总是以较小的程度存在于上死点(TDC)的周围，在该上死点处，活塞的速度接近零。在正在发生孔磨光的情况下，边界润滑的量会上升到磨损将会发生的程度。
孔磨光的发生在该文献中被称为预磨损事件。
图2示出了大型多气缸二冲程十字头式柴油发动机的气缸10中的一个。活塞12在该气缸10中上下移动。
气缸的顶部被气缸盖14所覆盖。该气缸盖14设有排气阀16和燃料喷射器18。
温度传感器20和20’设置在活塞12的移动被反向的区域中，该区域就是所谓的上死点(TDC)。温度传感器20、20’位于气缸缸套壁中并且经由信号电缆22连接于发动机的电子控制系统ECS(图3)。温度传感器20、20’测量立体气缸的上部区域中的气缸壁温度，并且温度传感器的信号由数据电缆22传送至电子控制系统。在示出的实施方式中，存在两个完全相对的温度传感器20、20’。然而，每个气缸只使用单个温度传感器20或每个气缸使用沿气缸的圆周分布的不止两个温度传感器同样是可能的。
气缸注油器进出口26也沿着气缸的圆周设置。虽然可以使用其它数量的气缸注油器进出口，但是通常为每个气缸设置三个气缸注油器进出口26。由与每个气缸相关联的气缸油泵24来为气缸注油器进出口26提供气缸油。气缸油泵24针对发动机的运行状况来调整气缸油的用量。在正常运行期间，由于气缸油是相对昂贵的，因此用量被设定为仅是适当的。该用量将受到燃料品质的影响，并且在使用硫含量较高的低品质的燃料时该用量将较高并且取决于发动机的载荷和运行速度或特定气缸的载荷。
图3示出了带有五个气缸10的根据本发明的实施方式的发动机。气缸在该仅是示例性的本发明的实施方式中的数量可以用在大型的带有任何其它数量的气缸的多气缸二冲程柴油发动机上。
气缸10中的每一个的温度传感器20、20’经由信号电缆22连接于发动机的电子控制系统ECS。气缸10中的每一个的气缸润滑油泵24也可以连接于电子控制系统。经由信号电缆28连接于电子控制系统ECS同样适用于燃料喷射系统。
由气缸10的温度传感器20、20’所提供的气缸壁温度值由电子控制系统进行测量和评估。该电子控制系统包括至少一个处理器，该至少一个处理器被构造成用以测量和分析气缸壁温度信号。对于气缸壁温度进行的测量可以是间歇的、例如每秒一次或是连续的。
处理器分析气缸10中的每一个的气缸壁温度并且分析关于气缸10中的每一个的气缸壁温度的这些气缸壁温度的发展。在气缸中的任一个显示出对于预磨损事件而言是特有的温度发展的情况下，处理器就发出预磨损警报。
图4示出了四号气缸的继之以假想磨损事件(以虚线表示)的典型的预磨损事件。该预磨损事件始于气缸壁温度波动，该气缸壁温度波动具有在约25℃至约65℃的范围中的波动幅度。
气缸壁温度波动的波峰之间的时间间隔(或波谷之间的时间间隔)通常在约6分钟至约18分钟的范围中。图4中这些事件发生的时段被称之为“高摩擦状况”。在该状态下，摩擦力增大但并未增大到在实际磨损期间发生的摩擦力的程度。
气缸壁温度波动的幅度范围可以因发动机不同而有所不同，可以取决于发动机尺寸和设计，并且可以根据经验来确定。这也适用于温度波动的波峰之间的时间间隔的范围。
处理器被构造成用以在它已经确定温度波动符合磨损事件的特征时发出预磨损警报。由此，处理器确定波动的波峰之间的时间间隔是否落入到预定范围内并且确定温度波动是否超过预定幅度。
如果该确定是肯定的，那么处理器就发出预磨损警报，并且在实施方式中，处理器也将自动启动预磨损事件应对手段。这些预磨损事件应对手段可以包括将气缸润滑油用量增加到位于正常运行的气缸润滑油用量的程度之上的程度。该增加由从电子控制系统ECS到已经针对其发出了预磨损警报的气缸的气缸润滑油泵24的信号来实现。预磨损事件应对手段也可以包括降低已经针对其发出警报的气缸上的载荷。该应对手段由电子控制系统ECS通过经由相应的信号电缆28来改变燃料喷射的量和/或正时来实现。预磨损事件应对手段也可以包括降低发动机转速。
处理器在实施方式中被构造成用以对预磨损事件的检测施加较为严格的控制。额外的限制呈必须在发出警报之前发生的最低次数的连续的气缸壁温度波动的形式。最低次数的连续的波动可以被设定为两次或三次波动(三个波峰中的至少两个波峰)。
在实施方式中，处理器也被构造成用以在已经针对气缸10中的一个发出预磨损气缸警报之后已经采取应对手段时，自动确定何时恢复至正常运行。于此，处理器确定自启动应对手段以来已经经过的时间间隔，并且自动恢复至在该时间间隔已经超过预定阈值后已经对其发出预磨损警报的气缸10的正常运行。逐渐执行恢复至正常运行。
如果没有采取应对手段，预磨损事件将最终导致磨损状况。磨损事件的气缸温度发展由图4的虚线示出。如果磨损事件发生(例如因为未检测到预磨损事件，或预磨损警报应对手段是不适当的)，那么处理器就被构造成用以在相关的气缸的温度梯度Δt/ΔT超过给定阈值最短时间时发出磨损警报。此外，如果给定气缸的气缸壁温度超过最大警报设定点，那么就发出磨损状况警报。
处理器被构造成用以检测磨损状况存在并且自动发出磨损警报。此外，处理器在实施方式中被构造成用以自动施加应对手段，例如在检测到磨损事件时将气缸润滑油用量显著增加至例如最大程度。应对手段还可以包括通过操作相关的气缸的燃料喷射来降低针对其发出警报的气缸的载荷。处理器还可以被构造成用以自动降低发动机转速来作为已经发出磨损警报之后的对策。
处理器在实施方式中还可以被构造成用以确定磨损事件何时已经结束。在这种情况下，处理器被构造成用以针对其发出警报的气缸的气缸温度低于最大警报设定点预定差值时，取消磨损警报。处理器还可以被构造成用以在距处理器已经确定磨损事件已经结束的时间点预定延迟之后自动结束磨损应对手段。磨损应对手段的自动结束可以由处理器逐渐地或逐步地执行。
本发明具有许多优点。不同的实施方式或实施方案可以产生下列优点中的一个或多个。应当注意的是，这并不是穷举的，并且可能存在其它于此并未描述的优点。本发明的一个优点是它提供了一种可靠的用于检测预磨损事件的方法。本发明的另一个优点是它一旦检测到预磨损事件就自动启动应对手段。本发明的再一个优点是它自动结束针对预磨损事件的应对手段。本发明的另一个优点是它提供了一种可靠的用于检测磨损事件的方法。本发明的另一个优点是它提供了一种用于一旦检测到磨损事件就自动启动应对手段的方法。本发明的再一个优点是它自动检测磨损事件的结束。
如在权利要求中所使用的术语“包括”并不排除其它的元件或步骤。如在权利要求中所使用的术语“一”或“一个”并不排除多个。
尽管在前述说明中尽力引起对于本发明的被认为是特别重要的特征的注意，但是应当理解的是，申请人要求保护关于参照附图或在附图中示出的任何可取得专利权的特征或特征的组合，而不论是否已经对此进行了特别强调。此外，应当明白的是，本领域技术人员在考虑本公开的情况下可以对其装置进行修改和/或改进，并且它们仍保持在如所附权利要求中所阐述的其范围和精神的范围内。

Claims (16)

1.一种用于检测大型多气缸涡轮增压二冲程柴油发动机中的预磨损状况的方法，所述方法包括：
连续地或间歇地测量所述气缸的上部区域中的气缸壁温度，
确定气缸的温度发展是否波动，以及
当相关的所述气缸的温度波动的波峰或波谷被落入到预定范围中的时间间隔隔开，并且所述温度波动的所述波峰与所述波谷之间的温度差超过预定阈值时，发出预磨损警报。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当至少带有预定数量的所述波动的序列出现时，发出预磨损警报。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括将气缸润滑程度增加到位于用于针对其发出所述警报的所述气缸的正常运行的程度之上的程度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，所述方法还包括将受载程度降低到位于用于针对其发出所述警报的所述气缸的正常运行的程度之下的程度。
5.一种用于使用在大型多气缸二冲程柴油发动机中的方法，所述方法用于在已经针对所述气缸中的一个发出预磨损气缸警报之后已经采取应对手段时确定何时恢复至正常运行，所述方法包括：
确定自所述应对手段启动以来已经经过的时间间隔，以及
在所述时间间隔超过预定阈值之后，自动恢复至已经针对其发出预磨损警报的所述气缸的正常运行。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，逐渐地执行所述恢复至正常运行。
7.一种用于检测大型多气缸涡轮增压二冲程柴油发动机中的磨损状况的方法，所述方法包括：
连续地或间歇地测量所述气缸的上部区域中的气缸壁温度，以及
在下述时刻发出针对气缸的磨损警报：
当气缸的所述气缸壁温度高于其它气缸的平均温度超过预定值时，
或当气缸的所述气缸壁温度超过预定警报温度时。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，当气缸的所述气缸壁温度的增加量以超过预定阈值的温度梯度发生时，才发出磨损警报。
9.根据权利要求7或8所述的方法，所述方法还包括自动将气缸润滑从正常程度增加到增大程度并且将相关的所述气缸的载荷从正常程度降低到用于针对其发出警报的所述气缸的减小程度。
10.一种用于确定大型多气缸二冲程柴油发动机中的磨损事件已经结束的方法，包括：
连续地或间歇地测量所述气缸的上部区域中的气缸壁温度，
确定针对其发出磨损警报的所述气缸的所述气缸壁温度是否超过其它气缸的平均气缸壁温度小于给定阈值的值，或
确定针对其发出磨损警报的所述气缸的所述气缸壁温度是否低于预先固定的气缸壁警报温度预定差值。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括自确定所述磨损事件结束开始的预定延迟后，恢复至针对其发出所述磨损警报的所述气缸的正常运行。
12.一种用于检测大型多气缸涡轮增压二冲程柴油发动机中的预磨损状况的装置，所述装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，所述温度传感器联接于处理器，所述处理器被构造成用以确定气缸的温度发展是否波动，并且被构造成用以在相关的所述气缸的温度波动的波峰或波谷被落入到预定范围中的时间间隔隔开，并且所述温度波动的所述波峰与所述波谷之间的温度差超过预定阈值时，发出预磨损警报。
13.一种用于使用在大型多气缸二冲程柴油发动机中的装置，所述装置用于在已经针对所述气缸中的一个发出预磨损气缸警报之后已经采取应对手段时确定何时恢复至正常运行，所述装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，所述温度传感器联接于处理器，所述处理器被构造成用以确定自启动所述应对手段以来已经经过的时间间隔，并且所述处理器被构造成用以在所述时间间隔超过预定阈值之后自动恢复至正常运行。
14.一种用于检测大型多气缸涡轮增压二冲程柴油发动机中的磨损状况的装置，所述装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，所述温度传感器联接于处理器，所述处理器被构造成用以在气缸的气缸壁温度高于其它气缸的平均温度超过预定值时，或在所述气缸的所述气缸壁温度超过预定警报温度时，发出针对气缸的磨损警报。
15.一种用于确定大型多气缸二冲程柴油发动机中的磨损事件已经结束的装置，所述装置具有在气缸壁的上部区域中的用于每个气缸的至少一个温度传感器，所述温度传感器联接于处理器，所述处理器被构造成用以确定针对其发出磨损警报的所述气缸的气缸壁温度是否超过其它气缸的平均气缸壁温度小于给定阈值的值，或针对其发出磨损警报的所述气缸的气缸壁温度是否低于预先固定的气缸壁警报温度预定差值。
16.一种大型二冲程柴油发动机，所述发动机具有根据权利要求13至15中的任一项所述的装置。
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