CN103573307B - 用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法和系统，具体提供一种用于监测发动机油温以检测高于正常的油温的系统和方法。该系统包括多个传感器，用于针对一组预定的发动机条件从运行的发动机获取输入信号。多个传感器的至少一个包括用于测量发动机油温的油温传感器。该系统还包括发动机控制单元（ECU），其中存储有对应于至少一组预定的发动机运行条件的多个预定极限值。该发动机控制单元被构造成选择对应于一组所测量的发动机运行条件的预定极限值，使用所选择的预定极限值计算维护极限值，并且比较所测量的油温和维护极限值。所述维护极限值定义了在预定警报被输出之前发动机油被允许达到的最大发动机油温。输出单元根据比较结果输出所述预定警报。

Description

用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及航空器发动机的运行和维护，更具体地涉及用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法和系统。

背景技术

发动机油是涡轮发动机的命脉并且适当的涡轮发动机油系统功能对于发动机的性能是至关重要的。涡轮发动机油系统用于润滑和冷却发动机轴承、齿轮和密封件，并为一些辅助系统提供液压动力。将涡轮发动机油系统压力和油温维护在正常运行极限内确保了适当的发动机油系统功能。油温通常由发动机排热(即，发动机送入发动机油中的热量)、发电机排热(即，发电机送入发动机油中的热量)以及油冷却器系统性能。例如，低油量、不足或无效的油冷却(例如，由于油冷却器堵塞)、阻塞的油管路可引起高于正常的油温，和／或发动机可能会产生过多的热量。某些航空器和发动机运行条件、环境条件和独特的发动机特性影响油温。油温通常在高海拔、高环境温度和高负载时是最高的。空气污染水平的增加以及航空器更加频繁地起飞和降落在位于较高基面海拔(大约15000英尺)的机场已经增加了发动机在高于正常的油温下运行的程度。

在常规航空器油系统的情况下，当发动机油温超过高于正常运行温度的单个预定的HOT故障极限时，以某种方式(如，故障灯、屏幕、代码等)通告高油温(以下简称“HOT”)故障警报。单个预定的HOT故障极限通常被提供在特定发动机的型号说明书中。单个预定的HOT故障极限是不精确的，没有考虑实际的航空器和发动机的运行条件、环境条件和独特的发动机特性。虽然HOT故障警报可以发出警报，并且在最坏的情况下可能引起飞行中止，但是条件通常是短暂的。然而，在HOT故障发出警报的时候，由于发动机在高于正常的油温下运行，发动机可能已经发生了不期望的磨损。例如，在高于正常的油温下的发动机运行可加速碳颗粒在发动机油中的积累(以下简称“油焦化”)和油添加剂的变质。增加的油焦化可能导致增加的密封件磨损并负面地影响齿轮和轴承寿命。增加的油焦化还可能导致发动机无法继续服务并可增加发动机的解体检修费用。

已经尝试使用电脑软件监测发动机油温作为整体发动机条件趋势监测的一部分。被记录的趋势数据可被发送到地面上的指定分析中心以便处理和建议。趋势监测需要进行投资来开发并购买昂贵设备并且基于历史数据执行复杂的统计分析，以便评估总体的发动机健康。

因此，需要提供用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法和系统。也需要提供简单和相对廉价的监测方法和系统以检测高于正常的油温并在已经发生了实质的发动机磨损之前以及在油温达到单个预定的HOT故障极限值之前提供早期的需要维护油温(maintenance-required oil temperature，MROT)警报，从而导致降低的维护、解体检修要求和发动机废除。此外，与附图和本发明的背景相结合，从以下对本发明和所附权利要求的详细描述，本发明的其它期望的特征和特性将变得明显。

发明内容

提供一种用于监测运行中的发动机的发动机油温的系统。该系统包括多个传感器，用于针对一组预定的发动机条件从运行中的发动机获取输入信号。该多个传感器中的至少一个包括用于测量发动机油温的油温传感器。该系统还包括发动机控制单元，其中存储有对应于至少一组预定的发动机运行条件的多个预定极限值。该发动机控制单元被构造成选择对应于一组所测量的发动机运行条件的预定极限值，使用所选择的预定极限值计算维护值，并且比较所测量的油温和维护极限值。输出单元根据比较结果输出预定输出。

提供一种方法用于监测运行中的发动机的发动机油温。该方法包括测量发动机油温以确定所测量的发动机油温的测量值。还测量一组预定的发动机运行条件。在一组存储的预定极限值中选择对应于所测量的一组预定的发动机运行条件的预定极限值。从预定极限值和预定误差值计算维护极限值。将所测量的发动机油温与维护极限值进行比较。输出对应于比较结果的输出。

提供一种方法用于监测运行中的发动机的发动机油温。该方法包括测量发动机油温和多个发动机运行条件。在对应于一组预定的所测量的发动机运行条件的所存储的预定极限值中选择用于所测量的发动机油温的预定极限值。计算维护极限值以便确定热油温(HOT)条件。从预定极限值和预定误差值计算维护极限值。通过比较所测量的发动机油温的测量值和维护极限值来检测HOT条件。如果比较结果是测量值超过了维护极限值但小于单个预定的故障极限值，则输出需要维护警报。

此外，结合附图和前述的背景技术，从以下的详细描述和所附的权利要求中，该方法和系统的其它期望的特征和特性将变得明显。

附图说明

下面将结合以下的附图描述本发明，在附图中，相同的数字表示相同的元件，并且附图中：

图1是流程图，示出了根据本发明示例性实施例的用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法；

图2是根据本发明另一示例性实施例的用于监测运行中的发动机的发动机油温的系统的简化框图；

图3是线图，示出了油温(Y轴)由于例如这种变化的发动机运行条件(X轴)增加而增加，如更高的环境(外部)温度、更高的负载、更高的马赫数或它们的组合，由线A代表的最低油温(在正常运行条件下的正常油温)，到由维护极限值(线B)代表的需要维护油温(MROT)条件和高油温(HOT)故障极限值(线C)；以及

图4是一种算法的简化示意图，该算法用于选择对应于一组预定的所测量的发动机运行条件的预定极限值(在图4中共同标识为“输入”)。

具体实施方式

以下的详细描述实际上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本申请，以及本发明的应用。如这里所使用的，术语“示例性”意味着“作为实例、例子或说明”。因此，作为“示例性”的本文所述的任何实施例不一定被理解为优选的或优于其它实施例。本文所述的所有实施例都是被提供的示例性实施例以使本领域技术人员能制造或使用本发明，而不限制由权利要求所定义的本发明范围。此外，并不旨在受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或者下述详细描述中提出的任何明示或暗示的理论的限制。

本发明的各种示例性实施例涉及用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法和系统，使得能够检测高于正常的油温并且在高于正常的油温导致显著且不期望的发动机磨损之前提供需要维护油温(MROT)警报。该方法和系统相对简单和廉价，并且依靠实际的发动机和航空器的运行条件、环境条件和独特的发动机特性(这里统称为“变化的发动机运行条件”或简单称为“发动机运行条件”)，而不仅仅是超过单个预定的HOT故障极限值。如这里所使用的，术语“发动机”是指航空器推进涡轮发动机或辅助动力单元(APU)。如前所述，术语“高于正常的油温”或这里所使用的其变体是指所测量的超过维护极限值的油温，如下文所述。结果可以是降低的监测成本、减少的发动机维护和解体检修要求、以及减少的发动机废除。

参考图1中的用于监测发动机油温的系统的简化框图，根据示例性实施例，该系统10包括发动机12、发动机控制单元(ECU)14和输出单元20，发动机控制单元(ECU)14与多个传感器16连接以便接收关于发动机运行条件的输入信号18(在图4中共同标识为“输入”15)，其全都在航空器(未示出)上。ECU14包括处理器、内存和其它的必要硬件和软件部件(未示出)，如本领域技术人员理解的，以允许ECU与多个传感器16通讯并执行本文所述的控制功能。本文所述的方法和系统不限于特定的硬件和软件构造。在示例性实施例中，在飞行的单个起动-停止周期内专门通过机载ECU14实施本文所述的方法和系统。可在发动机运行过程中连续地进行处理。

发动机控制单元(ECU)14在所有的运行模式中提供发动机12的全权自动控制。ECU持续地监测发动机的运行条件，以确保发动机在正常运行极限内运行，如该发动机的型号说明书中所提供的正常运行极限。发动机运行条件的正常运行极限(如高度、环境和负载)在该特定发动机的型号说明书中定义。正常运行极限指的是如型号说明书中所定义的发动机的特定运行范围(高度、环境温度、马赫数等)。ECU接收来自发动机、飞行员或其它航空器输入(未示出)的电输入信号22和来自多个传感器16的数据(作为输入信号18)。ECU与多个传感器连接以便接收关于发动机运行条件(包括航空器运行条件、环境条件和独特的发动机特性)的输入14，例如发动机输出引气(如果适用的话)、管道压力、IGV和轴负载、马赫数、环境压力和温度、进口门位置(将外部空气供应到APU进口和外壳的门)、排气温度(EGT)、APU进口温度和压力(计算的)、发电机负载(来自发电机的输出)、放气压力、喘振控制阀等。ECU分析输入信号18和22并发送输出信号24或忽略输入信号。ECU自动地调节发动机的控制条件。除了本文所指出的，ECU以常规方式运行。

例如，多个传感器可包括用于测量航空器速度的航空器速度传感器16a、用于测量航空器高度的高度传感器16b、用于测量发动机油温的油温传感器16c、用于测量发动机上的负载的负载传感器16d、马赫数传感器、或者用于测量每个发动机运行条件的类似物。虽然图1中示出了四个传感器，但是可在根据示例性实施例的该系统中使用更少或更多数目的传感器。如本文中所使用的，术语“传感器”可以指单独的传感器或由单独的传感器组合而成的复杂传感器。

仍然参考图1并且现在参考图2，根据一个示例性实施例，一种用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法100以测量运行中的发动机的发动机油温(步骤200)开始。油温传感器16c能够测量发动机油温以将具有所测量发动机油温的测量值的输入信号提供到ECU14。发动机油温的输入信号通常以毫伏为单位。ECU用ECU中的处理器将毫伏转换成温度值。输入到ECU中的其它输入信号可能或可能不由ECU处理。根据示例性实施例，油温传感器可检测到高于正常的油温，如下文所述。

方法100继续，测量一组预定的发动机运行条件的(如前所述的)每个发动机运行条件(步骤300)。与油温一样，通过从运行中的发动机获得发动机条件的输入信号而测量每个发动机运行条件。该多个传感器从运行中的发动机获得针对该组预定的发动机条件的输入信号。ECU包含必要的处理电子元器件以处理或接收传感器的每个输入信号。与常规的监测系统(其中，油冷却器堵塞的百分比可以是输入信号)不同，根据示例性实施例的该方法和系统通过在可能发生显著的油冷却器堵塞之前检测到高于正常的油温来帮助降低或基本防止油冷却器堵塞。

方法100继续，在对应于该组预定的发动机条件的所存储的极限值中选择对应于所测量的发动机运行条件的用于发动机油温的预定极限值(步骤400)。关于发动机油温和其它发动机运行条件的信息(即，输入15(图4))被多个传感器16测量并被输入到ECU14，ECU使用所输入的信息以根据来自步骤300的至少一组预定的发动机运行条件的测量值来实时地选择发动机油温的预定极限值。对应于该组预定的发动机条件的发动机油温的多个预定极限值被事先存储在ECU中。因此，当通过传感器接收到关于所测量的发动机运行条件的信息时，选择对应的预定极限值。通过使用被存储在ECU中作为软件的一部分的算法，预定极限值基于一组预定的发动机运行条件。该组预定的发动机运行条件在例如描述正常发动机运行条件(如高度、环境、负载、马赫数等)的发动机型号说明书内被确定。该预定极限值由该算法基于所测量的发动机运行条件来确定。图4是用于选择所测量油温的预定极限值的算法的简化示意图。如前所述，油温通常由发动机排热(即，发动机送入发动机油中的热量)(图4的块17)、发电机排热(即，发电机送入发动机油中的热量)(图4的块19)和油冷却器系统性能(图4的块21)确定。发动机排热、发电机排热和油冷却器系统性能值之和确定该预定极限值。

预定极限值(图4的块23)变化并且取决于该组预定的发动机运行条件的测量值(参考图4，块15中的“输入”)。例如，相对于在正常负载、正常外部温度和正常马赫数下的相同的发动机运行条件，当发动机例如在高于正常的负载、环境(外部温度)、海拔和马赫数下运行时，预定极限值较高，或者当发动机在为了获得最大燃料效率的低负载巡航条件下运行时，预定极限值可较低。

预定极限值考虑了APU上的实际负载并确定基于多个测量的发动机运行条件来确定油温应当是多少。例如，在77°F的环境温度和80％发电机负载的情况下，在15K英尺处的230°F的测量油温可被认为是“正常”油温，但在60°F的环境温度和100％发电机负载的情况下，在基面处的同样油温可表明在更高的环境温度和／或海拔处高于正常的油温的可能性。每个输入对发动机排热、发电机排热和油冷却器系统性能具有不同的影响。每个输入对发动机排热、发电机排热和油冷却器系统性能的每一个的影响的范围可从零影响到大于零的影响。例如，通过油冷却器系统能够从发动机油移除的热量来测量油冷却器系统性能。在较热的环境温度中，油冷却器系统能去除较少的热量。例如，在较低海拔处，油冷却器系统能去除更多的热量。

通过在如特定发动机的型号说明书中所定义的正常运行极限或条件下进行测试、分析、体验或它们的组合来确定正常的油温。除了启动发动机的最低油温以及HOT故障极限温度，发动机的型号说明书通常不提供关于油温的很多信息。在一个实施例中，可以利用发动机趋势监测来确定正常的运行极限。正常的运行极限基于所估计的“标称”发动机性能。在分析上以正常运行极限的数据为基础，并且另外的益处是使用发动机和航空器测试数据来建立基线以便调查未来的、性能相关问题。一旦显著数量的航空器处于运行中，则可能随着时间过去用现场数据稍微修改正常的运行极限。

仍然参考图1和2，方法100继续，从预定极限值和误差值之和计算维护极限值(步骤500)。这里，该维护极限值也可称为“需要维护油温(MROT)极限值”。图3中的线B表示在该步骤中确定的示例性维护极限值。ECU14还包括计算器26和查找表28，用于在该步骤中实施的计算。查找表28提供了误差值以考虑发动机在运行期间的合理退化。通过查找表在软件中实现预定的误差值以考虑该组预定的发动机运行条件。预定的误差值考虑了正常的磨损和典型的油冷却器系统恶化。例如，发动机油冷却系统性能在发动机运行期间可能会稍微降低。由于灰尘、沙子、污染以及影响被迫通过或被拉通过油冷却器的气流的其它因素，油冷却器可能至少部分地被阻塞。轴承磨损或密封件泄漏也会在发动机运行期间增加发动机的产热。其它因素也可能导致发动机在运行期间的某种退化。在图3中误差值由ΔTEMP表示。维护极限值定义了在对应于需要维护油温(MROT)警报22a(图1)的需要维护输出信号被从输出单元20输出之前发动机油被允许达到的最大发动机油温，如下文所述。维护极限值不是固定的，而是根据传感器信号和ECU在步骤400中选择的预定极限值而“浮动”或改变。

仍然参考图1和2，方法100继续，比较所测量的发动机油温的测量值和在步骤500中计算的维护极限值(步骤600)。在这方面，ECU14还包括比较器30，用于比较来自步骤200的所测量的发动机油温的测量值和维护极限值以确定测量值是否超过维护极限值。换句话说，比较器将油温传感器所测量的油温的测量值与在步骤500中计算的所计算的维护极限值作比较。如果判定步骤600a的结果是否定的回答，即，所测量的油温的测量值不超过维护极限值(即，所测量的油温的测量值处于图3的线B之下的正常油温范围内)，则所测量的油温的测量值被确定为处于正常或可接受的运行极限(图3的线A)内并且来自油温传感器的输入信号可被忽略，如由图2中的“停止”表示。如果测量值超过维护极限值(由对判定步骤600a的“是”表示)，需要维护油温(MROT)条件被ECU检测并且需要维护油温(MROT)警报22a(图1)被从输出单元20输出，如下文所述。MROT条件下的油温高于在正常运行条件下的油温，如图3所示。如前所述，由于在高于正常的油温条件下运行发动机，发动机可能产生不期望的磨损，从而潜在地增加维护成本、解体检修要求，并且促使发动机废除。

如果判定步骤600a的结果是肯定的回答(即，测量值超过维护极限值(判定步骤600a))，则必须确定所测量的油温的测量值是否也超过常规的更高的HOT故障极限值(判定步骤600b)。更高的HOT故障极限值是单个预定值，其定义了在提供HOT故障显示或警报(图1的22b)之前，发动机油可被允许达到的最大发动机油温，如下文所述。单个预定(HOT)故障极限值由图3的线C表示。一个示例性的单个预定故障(HOT)极限值可以是315°F+／-7°F，但是可根据发动机而使用更高或更低的故障极限值，如在该发动机的型号说明书所定义的。根据示例性实施例，如前所述，维护极限值是浮动的但低于单个预定HOT故障极限值，即单个预定HOT故障极限值将会总是高于维护极限值。

再次参考图1和2，方法10继续，通过输出信号输出对应于比较步骤600(包括判定步骤600a和600b)的结果的预定输出22(步骤700)。再次参考图1，如前所述，系统100还包括输出单元20，用于输出对应于比较步骤的结果的预定输出22。输出单元20包括仪表面板等。预定输出22包括MROT警报22a，如果比较步骤的结果是所测量的油温的测量值超过维护极限值但低于单个预定HOT故障极限值的话。在这种情况下，根据示例性实施例，对应于MROT警报的输出信号被从ECU输出。ECU输出MROT输出信号或警报，其提醒和警告飞行员和／或地面人员已经检测到高于正常的油温和／或已经超过了维护极限值，并且可能需要油系统或其它维护行动。大多数MROT警报将会来自于堵塞的油冷却器。例如，ECU可发送需要维护输出信号(这里也称为“第一信号”)，用于点亮航空器仪表面板中的维护灯。该MROT警报可以是视觉的、口头的等等，以提醒、警告和／或传递其它信息给飞行员和／或地面人员，告知已经检测到高于正常的油温和／或已经超过维护极限值，从而提供需要维护行动的通知。维护行动可以是检查、修理和／或解体检修。ECU可在飞行期间或在飞行完成之后被询问，以便至少发现并解决高于正常的油温条件(即，MROT条件)的故障。

替代地，如果所测量的油温的测量值超过更高的单个预定HOT故障极限值(图3中的线C)，则从输出单元输出HOT故障输出信号(这里也被称为“第二信号”)以提供HOT故障指示或警报22b，如本领域已知的。在这种情况下，ECU可发送故障输出信号，用于点亮仪表面板中的故障灯，如本领域已知的。在APU不是必不可少的情况下，可将HOT故障输出信号实现为关机，或者仅在APU是必不可少的情况下，可将HOT故障输出信号实现为警报。如前面提到的，在最坏的情况下，HOT故障输出信号可能导致飞行中止。然而，所意图的是，本文所述的示例性实施例通过在发动机油温达到HOT故障极限值之前检测到高于正常的油温条件并且提供MROT警报以提醒人员需要进行维护行动，从而减少了HOT故障输出信号。如果例如在地面上在较冷的环境温度下等等检测到MROT条件，则可预测例如在较高海拔处的潜在的HOT故障指示。通过在升高到更高海拔之前进行提醒，可能能够防止出现HOT故障指示。此外，密封件、轴承和齿轮的寿命得到实质性地维持。

尽管已经相对于航空器发动机描述了方法和系统，但是根据示例性实施例的方法和系统可适用于监测其它车辆中的发动机油温，其中，油温监测可帮助降低监测成本、发动机维护和／或解体检修要求、和／或发动机废除。

因此，提供了一种用于监测运行中的发动机的发动机油温的系统和方法。从前文应当理解的是，用于监测运行中的发动机的发动机油温的该系统和方法的示例性实施例比常规监测系统和方法更便宜且更简单，并且当发动机油温低于故障极限值时提早检测到高于正常的油温，从而降低发动机维护、解体检修要求以及发动机废除。

虽然在本发明的上述详细描述中呈现了至少一个示例性实施例，但应该理解的是存在大量的变型。还应该理解的是，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并且不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反，上述详细说明将为本领域技术人员提供实施本发明示例性实施例的方便的路线图。可理解的是，可对示例性实施例中所描述的元件的功能和布置进行各种改变，而不背离由所附权利要求所阐明的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于监测运行中的发动机的发动机油温的系统（10），包括：

多个传感器，用于针对一组预定的发动机条件从所述运行中的发动机获取传感器信号，所述多个传感器的至少一个包括用于测量发动机油温的油温传感器；

发动机控制单元（ECU），其中存储有对应于至少一组预定的发动机运行条件的多个发动机油温的预定极限值，所述发动机控制单元被构造成选择对应于一组所测量的发动机运行条件的发动机油温的预定极限值，使用所选择的预定极限值计算维护极限值，并且比较所测量的发动机油温和所述维护极限值，所述维护极限值定义了在预定警报被输出之前发动机油被允许达到的最大发动机油温；和

输出单元，能够根据比较结果输出所述预定警报。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个传感器还包括高度传感器、外部温度传感器、排气温度传感器、速度传感器、马赫数传感器，或它们的组合。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预定警报包括需要维护油温（MROT）警报并且所述发动机控制单元（ECU）包括：

计算器；

查找表，所述查找表提供预定误差值以考虑发动机在运行期间的合理退化；以及

比较器，用于比较所测量的发动机油温的测量值和所述维护极限值，其中，当所测量的油温的测量值超过所述维护极限值但低于HOT故障极限值时，所述输出单元输出所述需要维护油温（MROT）警报。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述预定极限值由以下算法确定，所述算法是发动机排热、发电机排热和油冷却器系统性能的函数，并且所述维护极限值等于所述预定极限值和由所述查找表确定的预定误差值之和。

5.一种用于监测运行中的发动机的发动机油温的方法，所述方法包括以下步骤：

测量发动机油温以确定所测量的发动机油温的测量值；

测量一组预定的发动机运行条件以确定所测量的发动机运行条件的测量值；

从一组存储的发动机油温的预定极限值中选择对应于所测量的发动机运行条件的测量值的发动机油温的预定极限值；

用选择的预定极限值和预定误差值计算维护极限值，所述维护极限值定义了在预定警报被输出之前发动机油被允许达到的最大发动机油温；

比较所测量的发动机油温与所述维护极限值；以及

通过输出单元输出对应于比较结果的所述预定警报。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，测量一组预定的发动机运行条件的步骤包括测量发动机负载和以下中的两个或更多个：真实空速、指示空速、压力高度、密度高度、海拔、进口压力、外部温度、进口温度、发动机轴转速、油温和发动机排气温度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，测量发动机油温以及测量一组预定的发动机运行条件的步骤包括从所述运行中的发动机获取传感器信号。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，选择预定极限值的步骤包括选择由以下算法确定的预定极限值，所述算法是发动机排热、发电机排热和油冷却器系统性能的函数，并且计算维护极限值的步骤包括将选择的预定极限值和所述预定误差值相加，所述预定误差值从查找表获得，所述查找表提供预定误差值以考虑发动机在运行期间的合理退化。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，输出预定警报的步骤包括：如果所测量的发动机油温超过所述维护极限值但小于单个预定的HOT故障极限值，则输出需要维护油温（MROT）警报。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，输出预定警报的步骤包括：如果所测量的发动机油温超过所述维护极限值则输出第一信号，并且如果所测量的发动机油温超过单个预定的HOT故障极限值则输出第二信号，其中，所述第一信号包括需要维护输出信号并且所述第二信号包括HOT故障输出信号。