CN107110062A - 用于活塞装置的发电机 - Google Patents

Abstract

提供了一种活塞组件，用于在发动机中使用活塞期间，例如在发动机测试期间，监控内燃发动机和/或活塞的至少一种运行状态。该活塞组件包括耦接至活塞、用于收集与运行状态相关的数据的电子仪表单元。代替电池或无线电力传输系统，活塞组件包括向电子仪表单元提供能量的热电模块。该热电模块的一侧耦接至活塞顶内表面，该表面由于靠近燃烧室而通常是热的。热电模块的另一侧由诸如冷却油喷液的冷却流体冷却。在热电模块处的温度通量被转换成电能，并用于给电子仪表单元供电。

Description

用于活塞装置的发电机

相关专利申请的交叉引用

本美国专利申请要求2014年10月30日提交的、序列号为62/072,520的美国临时专利申请和2015年6月18日提交的、序列号为14/743,221的美国发明专利申请的优先权，这些专利申请在此通过引用整体并入本文。

发明背景

1.技术领域

本发明主要涉及用于在发动机测试期间监控活塞状态的系统，更具体地，涉及用于为监控发动机中活塞状态的装置提供能量的系统。

2.相关技术

内燃发动机制造商在把发动机投入市场之前，通常进行模拟发动机运行的测试。出于性能和持久性的目的，发动机的每个部件都进行评估。这样的测试包括长时间运行发动机(例如几个星期或几个月)，并且在整个测试时间内监控发动机部件的性能。例如，应当监控活塞以确认活塞和发动机在整个测试期间内保持可接受的工作温度。

然而，评估内部发动机部件(诸如活塞)通常是非常困难的，原因在于这些部件不容易接近而且在极端环境中运行。为了适当地评估这样的部件，许多发动机制造商对于发动机缸体进行很大的改变，以便容纳各种联接和传输系统。这样的修改方案不仅昂贵且费时，而且也是不期望的，原因在于被测试的发动机是高要求的并且制作成本高，特别是在很早期的开发阶段期间。

某些发动机制造商使用的另一种方法是将诸如带有无线发射器/接收器的数据采集组件的电子装置附接到发动机部件。除了无线发射器以外，这样的数据采集器组件通常包括电池、多个传感器、至少一个处理器和缓冲存储器，所述缓冲存储器被配置成仅在数据经由无线发射器发送到远程计算机之前存储数据。在发动机测试开始前不久，必须由人工启动数据收集器组件。在发动机测试期间，来自电池的大量电力被无线发射器/接收器用于将数据传输到远端计算机。

在费德罗-莫格尔公司的、专利号为8,843,341的美国专利中公开了另一种用于监控诸如活塞的发动机部件的系统和方法。所述系统包括数据收集器组件，用于在发动机测试期间收集和存储与活塞的至少一个状态有关的数据。数据收集器组件还包括用于在发动机测试期间检测内部发动机部件的状态并生成与所检测状态对应的信号的传感器，以及将该信号转换成数字信号的模数转换器。数据收集器组件还包括用于存储数据的存储器和时钟。数据收集器组件还包括与模数转换器、存储器和时钟进行电通信的处理器。处理器被配置成处理数字信号并将与数字信号对应的数据存储在存储器上。至少一个电源(诸如电池)电连接到传感器、模数转换器、存储器、处理器和时钟。在发动机测试期间，传感器、模数转换器、存储器、处理器和时钟被配置成基本上是从电源获取电能的仅有的装置。与用于监控发动机部件的其它已知数据收集器组件相比，该数据收集器组件是有优势的，原因在于其没有耗电的无线发射器/接收器，由此允许采用较小的电源。除了提供包装优势以外，当在极端环境下运行时(诸如在内燃发动机内发现的那些环境)，较小的电源(诸如电池)通常比较大的电源更可靠。

虽然在专利号为8,843,341的美国专利中公开的系统具有许多优点，但是用于为数据收集器组件提供电力的电池的尺寸通常限制了发动机测试持续的时间。作为电池的替代物，无线电力传输系统可用于为数据收集器组件提供电力。然而，这种无线传输系统需要对发动机缸体做出重大且代价高昂的修改，这不是发动机制造商所期望的。

发明内容

本发明的一个方面提供一种改进的活塞组件，用于在发动机中使用活塞的同时监控活塞和/或内燃发动机的至少一种运行状态。活塞包括燃烧碗表面和活塞顶内表面，燃烧碗表面暴露于来自发动机燃烧室的热量之下，活塞顶内表面朝向与燃烧碗表面相反以暴露于冷却介质之下。电子仪表单元耦接至活塞，用于监控活塞和/或发动机的至少一个状态。热电模块耦接至电子仪表单元和活塞顶内表面，用于暴露于冷却介质和来自燃烧室的热量之下。热电模块将冷却介质和来自燃烧室的热量之间的温差转换成能量，并将该能量传输到电子仪表单元。

本发明的另一方面提供用于在发动机中使用活塞期间监控活塞和/或内燃发动机的至少一个状态的系统。该系统包括电子仪表单元，用于耦接至活塞并监控活塞和/或发动机的至少一个状态。热电模块耦接至电子仪表单元，以耦接至活塞并将冷却流体和来自燃烧室的热量之间的温差转换成能量，并将所述能量传输到电子仪表单元。

本发明的又一方面提供用于在发动机中使用活塞期间监控活塞和/或内燃发动机的至少一个状态的方法。该方法包括提供包括活塞的活塞组件。活塞包括燃烧碗表面和朝向与燃烧碗表面相反的活塞顶内表面。活塞组件还包括耦接至活塞的电子仪表单元，用于监控活塞和/或发动机的所述至少一个状态，以及包括耦接至电子仪表单元和活塞顶内表面的热电模块。该方法还包括使燃烧碗表面暴露于来自内燃发动机燃烧室的热量之下；向热电模块施加冷却介质；使用热电模块将冷却介质与来自燃烧室的热量之间的温差转换成能量；以及将能量从热电模块传输到电子仪表单元。

本发明的活塞组件、系统和方法提供了许多优点。由于活塞部分被燃烧室连续地加热，而其它部分被冷却流体连续喷射，热电模块能够在整个发动机测试持续时间以恒定的热通量向电子仪表单元提供电能。测试持续时间不再受可用能量总量的限制。此外，热电模块是具有耐用结构的固态设计，并且不需要活塞外部的可移动的零件或部件。因此，热电模块允许在更快的发动机转速和更高的温度下运行。此外，热电模块的尺寸、质量和位置可以被选择成使得热电模块不干扰或妨碍正被测试的活塞或发动机的运行。

附图说明

因为参考以下详细说明并结合附图考虑时可以更好地理解本发明的其它优点，所以其将很容易被理解，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的改进监控组件的透视图，其包括耦接至活塞的电子仪表单元和热电模块；

图2是根据示例性实施例的耦接至活塞的改进监控组件的另一个透视图；

图3是根据示例性实施例的活塞的剖视图，其中显示冷却油正被喷射到热电模块上；

图4示出了根据一个示例性实施例将电能从热电模块传输到电子仪表单元；以及

图5示出了根据另一示例性实施例将电能从热电模块传输到电子仪表单元。

具体实施方式

本发明提供了用于在内燃发动机中使用活塞20期间监控至少一个发动机运行状态(诸如活塞20的温度)的改进组件。通常该组件被用在由发动机制造商操作的测试发动机中，以使制造商可以在把发动机投入市场之前评估活塞20的性能和耐用性。该组件包括用于监控发动机和/或活塞20的运行状态的电子仪表单元22，以及用于在整个发动机测试过程中为电子仪表单元22提供电能的热电模块24。

可以使用本发明的组件监控任何类型的活塞20。在图1-3所示的示例性实施例中，活塞20包括单件铸件设计，其包括限定燃烧碗表面28和朝向相反的活塞顶内表面30的冠部26。在发动机运行期间，燃烧碗表面28直接暴露于燃烧室中的高温气体之下，而来自于燃烧室的热量通过冠部26传递到活塞顶内表面30。为了降低冠部26的温度，冷却介质供应源56向活塞顶内表面30提供冷却介质32。在示例性实施例中，冷却介质供应源56是喷嘴，而冷却介质32是液体(诸如冷却油)，后者被连续地喷射到活塞顶内表面30上。冠部26还包括环形带34，该环形带34包括多个用于保持活塞环(未示出)的环形凹槽36。

活塞20还包括从环形带34下垂的下部38。下部38包括被销座42彼此隔开的一对裙部40。每个销座42限定销孔44，用于接纳耦接于连杆(未示出)的活塞销(未示出)。虽然图1-3的活塞20是单件铸件设计，但活塞20可包括其它设计。例如，冠部26和下部38可以焊接或以其他方式连接在一起。

如图1-3所示，热电模块24(也称为热电发电机)被热耦接到活塞20的暴露于温度流量之中的部分，其可以是活塞20的任何提供热量并且暴露于冷却介质(诸如冷却流体32)中的部分。在示例性实施例中，热电模块24沿着活塞20的中心轴耦接至活塞顶内表面30。因此，如图3所示，来自于燃烧室的热量通过冠部26传递到热电模块24，而同时冷却流体32被喷射到活塞顶内表面30和热电模块24。根据被称为赛贝克效应(Seebeck Effect)或热电效应的现象，热电模块24将该温差直接转换成电能。不管测试持续时间有多长，在热电模块24处的温差在整个发动机测试中都存在。因此，热电模块24能够在整个测试持续时间产生电能，并且测试的持续时间不受限于电子仪表单元22可用能量的量。

可以采用各种不同类型的热电模块24。在示例性实施例中，热电模块24的尺寸和质量被选择成使得热电模块24不妨碍活塞20的运行或被测内燃发动机的性能。此外，在示例性实施例中，热电模块24被方便地放置于中心轴处，并沿着活塞20的活塞顶内表面30。因此，热电模块24允许活塞20保持轴向平衡，并且不干扰活塞销或连杆。此外，可以用各种不同的方法将热电模块24耦接至活塞20。然而，在各种情形下，热电模块24应当被热耦接，从而使得热电模块24不绝缘，并且来自于活塞20的热量不会损失。在示例性实施例中，热电模块24使用导热环氧树脂耦接至活塞20，以将热电模块24的温度保持在活塞顶内表面30的温度或接近活塞20的活塞顶内表面30的温度。另外，尽管未示出，所述组件还可以包括串联连接的多个热电模块24。除了热电模块24以外，该组件还可以包括至少一种其它类型的电源，诸如电池。

热电模块24电连接到电子仪表单元22，并且由热电模块24提供的电能被传输到电子仪表单元22，以在整个发动机测试期间为电子仪表单元22供电。在该示例性实施例中，热电模块24通过多根电线46电连接至电子仪表单元22，这些电线用环氧树脂或粘接剂附接到活塞20并被方便地布置，以免干扰活塞20的性能。由于在热电模块124处的温度通量存在于发动机测试的整个持续时间，所以电能也可以在测试的整个持续时间被供应到电子仪表单元22。

电子仪表单元22可包括能够监控活塞20和/或发动机的至少一个状态的各种不同的设计。电子仪表单元22包括接地端和用于典型地通过电线46从热电模块24接收能量的电力输入端。电子仪表单元22还包括数据收集器，该数据收集器可用于检测活塞20和/或发动机的至少一个状态(诸如活塞的温度)、存储数据，以及发送数据到外部计算机以供发动机制造商分析。在专利号为8,843,341的美国专利中描述了一个示例性数据收集器，该专利在此通过引用整体并入本文。

在图1-3所示的示例性实施例中，电子仪表单元22连接到设置在活塞20上不同位置处的多个热电偶48，以测量不同位置处的温度。热电偶48将活塞20在不同位置处的温度提供给电子仪表单元22。示例性实施例的电子仪表单元22还可以安装于活塞20的其中一个销座42外侧的板的形式提供。穿过板和活塞20钻孔，并把紧固器(诸如对峙缸50)穿过孔插入，以将板固定到活塞20上。然而，电子仪表单元22可以替代地包括多个板，所述板可以沿活塞20的另一部分布置，并且可以使用其它方法耦接至活塞20。在示例性实施例中，电子仪表单元22还包括用于存储数据的存储器、处理器和用于发送数据到外部计算机以供发动机制造商评估的无线电装置。

图4和5展示了用于产生电能并将电能从热电模块24传输到电子仪表单元22的两个示例性实施例。图4显示第一实施例，其中热电模块24的一侧直接接触加热的活塞20，而另一侧直接接触冷却流体32的喷液。另外，热电模块24的每一侧与电子仪表单元22的电源和接地端电接触。热电模块24将加热的活塞20与冷却流体32之间的温差(ΔT)转换成电能(ΔV)，然后将电能直接传输到电子仪表单元22。

图5展示了用于产生电能并将电能从热电模块24传输到电子仪表单元22的第二实施例。在该实施例中，热电模块24的一侧仍然直接接触加热的活塞20。然而，热电模块24的相对侧被连接到独立的散热器52，而散热器52直接接触冷却流体32的喷液。热电模块24将加热的活塞20与散热器52之间的温差(ΔT)转换成电能(ΔV)。

同样在图5的实施例中，电力管理电子装置54设置于热电模块24和电子仪表单元22之间，并且热电模块24的每一侧与电力管理电子装置54的电源和接地端电连接。因此，代替把电能直接传输到电子仪表单元22，热电模块24将电能传输到电力管理电子装置54的电源和接地端。电力管理电子装置54通常用于由热电模块24所提供的电能(ΔV)不足，或不是电子仪表单元22所要求的形式的情况。例如，电力管理电子装置54可以在将电能传输到电子仪表单元22之前增大电压并减小电流。可以使用各种不同类型的电力管理电子装置54。然而，在该示例性实施例中，电力管理电子装置54包括提升电压的DC-DC转换器，从而使得提供给电子仪表单元22的电压处在优选的2到5伏特的水平。本发明的另一方面提供用于监控在内燃发动机中使用期间的活塞20和/或发动机的至少一个状态的改进系统。该系统包括电子仪表单元22、热电模块24、可选的散热器52和以上描述的可选的电力管理电子装置54。该系统还包括用于向活塞顶内表面30和热电模块24提供冷却介质32的冷却介质供应源56。

本发明的又一方面提供了一种改进的方法，用于使用上述的电子仪表单元22、热电模块24、可选的散热器52和可选的电力管理电子装置54来监控在内燃发动机中使用期间的活塞20和/或发动机的至少一个状态。

该方法首先包括提供活塞组件，其优选包括将热电模块24设置在活塞20的中心轴处。该方法然后包括将燃烧碗表面28暴露于来自发动机燃烧室的热量之下；并将冷却介质32施加到热电模块24，例如，通过向热电模块24和活塞顶内表面30喷射冷却流体。向热电模块24施加冷却介质32的步骤还可以包括把冷却介质32施加到散热器52。

该方法还包括使用热电模块24将冷却介质32与来自于燃烧室的热量之间的温差转换成能量；以及将该能量从热电模块24传输到电子仪表单元22。在一个实施例中，该方法包括在将该能量从热电模块24传输到电子仪表单元22之前，使用电力管理电子装置54调节该能量。最后，该方法包括使用电子仪表单元22和由热电模块24提供的能量来收集关于活塞20和/或发动机的至少一个状态的数据。

显然，鉴于以上的教导，本发明的多个修正方案和变例都是可行的，这些修正方案和变例可以以不同于在此具体描述的方式被实施，但仍然包括在以下的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种活塞组件，其特征在于，所述活塞组件包括：

活塞，所述活塞包括暴露于来自内燃发动机的燃烧室的热量之下的燃烧碗表面；

所述活塞包括朝向与燃烧碗表面相反、暴露于冷却介质之下的活塞顶内表面；

电子仪表单元，所述电子仪表单元耦接至所述活塞，用于监控所述活塞和/或发动机的至少一个状态；以及

热电模块，所述热电模块耦接至所述电子仪表单元和所述活塞的活塞顶内表面，用于暴露于所述冷却介质和所述来自燃烧室的热量之下，其中所述热电模块将所述冷却介质与所述来自燃烧室的热量之间的温差转换成能量，并将所述能量传输到所述电子仪表单元。

2.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述热电模块沿所述活塞的中心轴设置。

3.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞组件还包括冷却介质供应源，用于提供冷却介质给所述活塞顶内表面和所述热电模块。

4.根据权利要求3所述的活塞组件，其特征在于，所述冷却介质供应源是喷嘴，而所述冷却介质是冷却流体的喷液。

5.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞组件还包括设置于所述热电模块与所述电子仪表单元之间的电力管理电子装置，用于接收来自于所述热电模块的能量，并在将所述能量从所述热电模块传输到所述电子仪表单元之前调节所述能量。

6.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞组件包括散热器，所述散热器与所述活塞顶内表面相对地耦接至所述热电模块，用于暴露于所述冷却介质。

7.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞组件包括与所述热电模块分开的电源，所述电源耦接至所述电子仪表单元，用于为所述电子仪表单元提供额外的能量。

8.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞组件包括沿所述活塞设置于多个位置的多个热电偶，用于测量所述活塞在所述各个位置的温度；并且每个所述热电偶耦接至所述电子仪表单元，用于将各个所述位置的温度提供给所述电子仪表单元。

9.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞包括限定所述燃烧碗表面和所述活塞顶内表面的冠部；

所述冠部包括多个用于保持活塞环的环形凹槽；

所述活塞包括一对彼此由销座隔开的裙部，其中所述销座限定用于接纳活塞销的销孔；

所述电子仪表单元通过紧固件安装于所述活塞的一个销座上；

所述电子仪表单元包括接地端和电力输入端，用于接收来自所述热电模块的能量；

所述电子仪表单元包括数据收集器，用于获取所述活塞或所述发动机的至少一个状态、存储关于所述至少一个状态的数据以及发送所述数据到计算机；

所述电子仪表单元包括用于存储所述数据的存储器、处理器和用于发送所述数据到计算机的无线电装置；

在所述活塞的中心轴处，所述热电模块通过导热环氧树脂热耦接至所述活塞顶内表面；

所述活塞组件还包括：

沿所述活塞设置于多个位置的多个热电偶，用于测量所述活塞在各个所述位置的温度；

每个所述热电偶耦接至所述电子仪表单元，用于将各个所述位置的温度提供给所述电子仪表单元；

相对于所述活塞顶内表面耦接至所述热电模块的散热器；

设置于所述热电模块与所述电子仪表单元之间的电力管理电子装置，用于接收来自于所述热电模块的能量并在将所述能量从所述热电模块传输到所述电子仪表单元之前调节所述能量；以及

靠近所述活塞设置的冷却介质供应源，用于将冷却介质提供给所述活塞顶内表面、所述散热器和所述热电模块，其中所述冷却介质供应源是喷嘴，而所述冷却介质是冷却油的喷液。

10.一种用于在发动机中使用活塞期间监控活塞和/或内燃发动机的至少一个状态的系统，其特征在于，所述系统包括：

电子仪表单元，用于耦接至活塞并监控所述活塞和/或发动机的至少一个状态；以及

耦接至所述电子仪表单元的热电模块，用于耦接至所述活塞并将冷却流体与来自燃烧室的热量之间的温差转换成能量，并将所述能量传输到所述电子仪表单元。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述热电模块沿所述活塞的中心轴设置。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统包括冷却介质供应源，用于将冷却介质提供给所述活塞顶内表面和所述热电模块。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统包括设置于所述热电模块与所述电子仪表单元之间的电力管理电子装置，用于接收来自于所述热电模块的能量并在将所述能量从所述热电模块传输到所述电子仪表单元之前调节所述能量。

14.根据权利要求10的系统，其特征在于，所述系统包括与活塞顶内表面相对地耦接至所述热电模块的散热器，用于暴露于冷却介质。

15.一种用于在发动机中使用活塞期间监控活塞和/或内燃发动机的至少一个状态的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供包括活塞的活塞组件，所述活塞包括燃烧碗表面和朝向与燃烧碗表面相反的活塞顶内表面，所述活塞组件包括耦接至所述活塞、用于监控所述活塞和/或发动机的至少一个状态的电子仪表单元，以及所述活塞组件包括耦接至所述电子仪表单元和所述活塞顶内表面的热电模块；

将所述燃烧碗表面暴露于来自所述内燃发动机的燃烧室的热量之下；

向所述热电模块施加冷却介质；

用所述热电模块将所述冷却介质与所述来自燃烧室的热量之间的温差转换成能量；以及

将所述能量从所述热电模块传输到所述电子仪表单元。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述提供活塞组件的步骤包括将所述热电模块设置于所述活塞的中心轴处。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述向热电模块施加冷却介质的步骤包括向所述热电模块和所述活塞顶内表面喷射冷却流体。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用电力管理电子装置在将所述能量从所述热电模块传输到所述电子仪表单元之前调节能量。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述活塞组件包括与所述活塞顶内表面相对地耦接至所述热电模块的散热器，以及所述向热电模块施加冷却介质的步骤包括向所述散热器施加冷却介质。

20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述电子仪表单元和由所述热电模块提供的能量来收集关于所述活塞和/或发动机的至少一个状态的数据。