CN108474301B - 空气涡轮起动器及其起动方法 - Google Patents

Abstract

空气涡轮起动器(ATS)组件包括：可旋转的小齿轮(72)，其中，可旋转的小齿轮联接到燃烧发动机(10)；速度传感器(78)，其测量可旋转的小齿轮(72)的转速(302)；扭矩传感器(79)，其提供表示小齿轮(72)所经历的扭矩的扭矩输出(304)；以及控制器模块，其配置成运行ATS的起动顺序，使得转速(302)在扭矩输出(304)保持低于起动顺序扭矩阈值(310)时可控制地增大。

Description

空气涡轮起动器及其起动方法

发明背景

燃烧发动机(诸如，往复式内燃发动机或涡轮发动机)为如下的发动机：使用燃料的燃烧来产生自持运行，该自持运行使存储于燃料中的势能转换成动力学运动(诸如，旋转运动)。

例如，在暴露于外部点火(诸如，由火花塞所产生的火花)的空气/燃料混合物中，可发生燃烧。在燃烧期间，空气/燃料混合物的爆炸在燃烧的气体中产生热，并且所产生的气体膨胀驱动动力学运动。在往复式燃烧发动机的示例中，所产生的气体膨胀驱动加压室中的活塞冲程，从而造成曲轴上的旋转运动。在连续式燃烧发动机(诸如，燃气涡轮发动机)的示例中，所产生的气体膨胀驱动发动机的燃烧区段下游的涡轮，从而造成可旋转轴上的旋转运动。

在前面提到的示例中，所产生的曲轴或可旋转轴上的旋转运动可进一步相应地用于实现自持运行。例如，在往复式燃烧发动机的示例中，继燃烧之后，曲轴继续旋转，从而使加压室中的活塞准备用于另一燃烧冲程。在涡轮发动机的示例中，可旋转轴与燃烧区段上游的涡轮可旋转地联接，该涡轮用于使进入空气压缩，以便进一步燃烧。

空气涡轮起动器(ATS)可用于启动燃烧发动机的旋转。ATS常常安装于发动机附近，且可联接到高压流体源(诸如，压缩的空气)，高压流体源冲击ATS中的涡轮叶轮，致使涡轮叶轮以相对较高的速率旋转。ATS包括输出轴，输出轴联接到涡轮叶轮，典型地通过减速齿轮箱而联接到发动机。因而，输出轴与涡轮叶轮一起旋转。该旋转继而致使燃烧发动机的可旋转元件(例如，曲轴或可旋转轴)开始旋转。继续通过ATS而旋转，直到燃烧发动机达到自持运行转速为止。

发明内容

在一个方面，起动以起动器起动的燃烧发动机的方法包括：在燃烧发动机的起动顺序期间，由控制器模块对速度参数和扭矩参数进行监测，其中，速度参数表示与燃烧发动机旋转式地联接的起动器的转速，扭矩参数表示起动器的扭矩；在控制器模块中，确定所监测的速度参数是否超过起动顺序速度廓线(profile)中所包括的对应速度值，并确定所监测的扭矩参数是否超过起动顺序扭矩阈值；以及响应于确定所监测的速度参数未超过起动顺序速度廓线的对应速度值，且所监测的扭矩参数未超过起动顺序扭矩阈值，由控制器模块可控制地增大起动器的转速，使得该增大防止所监测的扭矩参数满足起动顺序扭矩阈值。

在另一方面，起动燃烧发动机的方法包括：在燃烧发动机的起动顺序期间，由控制器模块对与燃烧发动机可旋转地联接的涡轮空气起动器小齿轮的加速率进行控制；由控制器模块对表示在控制加速率期间小齿轮所经历的扭矩的扭矩参数进行监测；在控制器模块中，确定所监测的扭矩参数是否满足起动顺序扭矩阈值；响应于确定所监测的扭矩参数满足起动顺序扭矩阈值，可控制地降低小齿轮的加速率；以及燃烧发动机一达到自持运行转速，就停止起动顺序。

在又一方面，涡轮空气起动器组件包括：壳体，其限定具有空气入口和空气出口的内部，空气入口和空气出口限定通过壳体的流径；可旋转涡轮，其位于该内部内的流径内；可控制的压力阀，其位于可旋转涡轮的上游；可旋转的小齿轮，其与可旋转涡轮可旋转地联接，其中，可旋转的小齿轮在壳体的外部延伸，且可操作地联接到燃烧发动机；扭矩传感器，其提供表示小齿轮所经历的扭矩的扭矩输出；以及控制器模块。控制器模块配置成：在燃烧发动机的起动顺序期间，对速度参数和扭矩参数进行监测，速度参数表示涡轮空气起动器组件的转速，扭矩参数表示涡轮空气起动器组件的扭矩；确定所监测的速度参数是否超过起动顺序速度廓线，并确定所监测的扭矩参数是否超过起动顺序扭矩阈值；以及响应于确定所监测的速度参数未超过起动顺序速度廓线，且所监测的扭矩参数未超过起动顺序扭矩阈值，由控制器模块可控制地增大涡轮空气起动器的转速，使得该增大防止所监测的扭矩参数满足起动顺序扭矩阈值。

附图说明

在附图中：

图1是根据本文所描述的多个方面的燃烧发动机的示意图，该燃烧发动机具有曲轴，该曲轴可利用空气起动系统。

图2是燃烧发动机(诸如，图1的发动机)中的活塞的示意横截面图。

图3是根据本文所描述的多个方面的与图1和图2的发动机的曲轴旋转式地联接的空气起动组件的局部示意图。

图4是示出根据本文所描述的多个方面的起动燃烧发动机的方法的流程图。

图5是示出根据本文所描述的多个方面的起动器(诸如图3中所示出的起动器)在起动顺序中的示范性压力、速度以及扭矩输出的一组示例性的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施例可在任何合适的环境(包括但不限于使用燃烧发动机的环境)下实现。无论燃烧发动机是提供驱动力，还是出于另一目的(诸如，用来发电)而使用，燃烧发动机都可包括例如往复式燃烧发动机或连续式燃烧发动机。连续式燃烧发动机的示例可包括但不限于燃气涡轮发动机。可用汽油、煤油、天然气、甲烷或柴油燃料对这样的燃烧发动机供以燃料。提供了对燃烧发动机的初步理解，其中，燃烧发动机呈往复式发动机的示例性的形式。

图1示出呈往复式发动机的形式的燃烧发动机10的示意图，燃烧发动机10诸如具有位于发动机机体16内的可旋转轴(诸如，曲轴12)和至少一个活塞14。然而描述往复式发动机10用于理解，但本公开的实施例另外可应用于配置成以旋转元件起动成自持运行的任何燃烧发动机中。可包括具有花键齿轮21或环形齿轮和一个或多个内齿轮或齿轮系23的齿轮箱19，并且，齿轮箱19与曲轴12可操作地联接。如图2中更好地示出，位于发动机机体16的对应部分内的活塞14可包括活塞头15，活塞头15与活塞轴17可旋转地联接，其中，活塞头可在活塞室18内滑动。活塞轴17可旋转地联接到曲轴12上的销，该销相对于曲轴的旋转轴线径向地偏移，使得曲轴12的旋转致使活塞头15在活塞室18内作往复运动。

虽然在图2中仅示出一个活塞14，但燃烧发动机10典型地具有多个活塞14，活塞14容纳于对应的活塞室18内，其中活塞14安装到曲轴12上的不同的销，销围绕曲轴12的旋转轴线径向地排开。活塞14可布置成一个或多个线性排，其中，仅具有一排线性对齐的活塞14的发动机被称为直列式布置。具有多排活塞14的发动机10可具有排成形之间的角间距。活塞14还可围绕曲轴12径向地排开，这常常被称为径向布置。

活塞14移入或移出活塞室18的移动可在下文中被描述为“冲程”或“活塞冲程”。虽然本公开可包含“向上”冲程(其中，活塞14远离曲轴12而更进一步地移动到活塞室18中)和“向下”冲程(其中，活塞14朝着曲轴12而从活塞室18离开)的描述，但本发明的实施例可包括具有竖直冲程或成角度的冲程的燃烧发动机10。因而，短语“向上”和“向下”是针对本发明的实施例的非限制性的相对术语。

如所示的，燃烧发动机10还可包括发动机缸盖部分20，发动机缸盖部分20具有可密封的空气进气通路22和可密封的排气通路24。通路22、24经由相应的进气阀26和排气阀28而与活塞室18流体地联接，并可相对于活塞室18密封。活塞头15、发动机机体16、缸盖部分20、进气阀26以及排气阀28可共同地限定可密封的压缩室30。

缸盖部分20还可包括燃料雾化喷嘴32，用于将燃料(诸如，柴油燃料)喷射到压缩室30中，以供燃烧。虽然示出用于喷射柴油燃料的燃料雾化喷嘴32，但本发明的备选实施例可包括在汽油或天然气发动机的示例中任选地由火花塞取代的用于燃烧发动机10的燃料雾化喷嘴32，该火花塞用于对空气/燃料或空气/气体混合物点火。

在一个示例(诸如，燃烧循环)中，燃烧发动机10可包括四个活塞冲程：进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程以及排气冲程。前文的描述假定，发动机10的燃烧循环起动，而活塞14完全地向上延伸到活塞室18中，这典型地被称为“上止点”或TDC。在进气冲程期间，曲轴的旋转(由顺时针箭头34示出)在向下进气冲程(沿箭头38的方向)中将活塞14从压缩室30拉出，从而在压缩室30中造成真空。真空从可密封的进气通路22吸入空气，此时可密封的进气通路22由于进气阀26打开(以点线40示出)而未密封，且定时成以与进气冲程对应。

一旦活塞14到达其进气冲程的最低点(以点线36示出)，进气阀26就被密封，并且，活塞开始向上压缩冲程。压缩冲程使活塞14滑动到压力室30中，从而使空气压缩。在压缩冲程的TDC位置42处，燃料雾化喷嘴32可将柴油燃料喷射到压缩室30中。备选地，可在进气冲程之前将可燃性燃料添加到进入空气，或可在压缩冲程42期间将燃料添加到压缩室30。

在压缩室30中，由于压缩的空气/燃料混合物的高热和高压(例如，在柴油机中)，或备选地，由于外部点火，诸如由火花塞所产生的火花(例如，在汽油或天然气发动机中)，导致可在压缩室中发生燃烧。在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的爆炸在压缩的气体中产生热，并且，爆炸和膨胀气体所产生的膨胀在向下冲程中驱动活塞远离压缩室30。向下冲程机械地驱动曲轴12的旋转34。

继燃烧之后，排气阀28未密封，以与排气冲程对应，并且，活塞被向上驱动到压缩室30中，以将燃烧的气体或排出气体从压缩室30推出。一旦活塞14返回到活塞室18中的TDC位置，随后就可重复进行发动机10的燃烧循环。

虽然典型的燃烧发动机10可具有一组活塞14和活塞室18，但为了简洁起见，在此示出且描述单个活塞14。将理解到，如本文中所使用的“一组”可包括任何数量，包括仅一个。在具有多个活塞14的燃烧发动机10中，活塞14可沿着曲轴12配置，以使活塞14的冲程错开，使得一个或多个活塞14可持续地提供驱动力，以使曲轴12旋转，且因而通过另外的燃烧循环冲程而驱动活塞14。可进一步传递通过曲轴12的旋转而产生的机械力，以驱动另一构件，诸如，发电机、叶轮或推进器。

图3示出诸如用于燃烧发动机10的起动系统44的示范性的示意配置。起动系统44可包括涡轮空气起动器组件52，涡轮空气起动器组件52经由控制阀56而与压力源54流体地联接。壳体60、可旋转涡轮70、可旋转轴71、小齿轮72、齿轮系74、压力传感器76、速度传感器78、扭矩传感器79以及控制器模块80可包括在涡轮空气起动器组件52内。更具体地，壳体60限定具有空气入口64和空气出口66的内部62，空气入口64和空气出口66限定通过壳体60的流径68。可旋转涡轮70位于内部62内的流径68内。

可旋转的小齿轮72在壳体60的外部延伸，并可操作地联接到可旋转涡轮70，使得可旋转涡轮70的旋转致使可旋转的小齿轮72旋转。通过非限制性的示例，齿轮系74和可旋转轴71可将可旋转涡轮70联接到可旋转的小齿轮72。可旋转的小齿轮72进一步配置成可操作地联接到燃烧发动机10的曲轴12。在所示出的示例中，可旋转的小齿轮72包括一组轮齿，轮齿被键接，以与齿轮箱19的花键齿轮21啮合，花键齿轮21可操作地联接到曲轴12。预想本发明的实施例，其中，涡轮空气起动器组件52例如机械地或可移除地安装到燃烧发动机10。备选地，涡轮空气起动器组件52可能够可控制地使涡轮空气起动器组件52的可旋转的小齿轮72的部分延伸和缩回。预想另外的配置。

压力传感器76可配置成感测或测量空气入口64处的空气压力。以该方式，压力传感器76可向控制器模块80提供压力输出，压力输出表示空气入口64处的空气压力。速度传感器78可配置成感测、测量或估计小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70的转速。速度传感器78可向控制器模块80提供速度输出，速度输出表示小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70中的至少一个的转速。扭矩传感器79可配置成感测、测量或估计小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70所经历的扭矩。扭矩传感器79可向控制器模块80提供扭矩输出，扭矩输出表示小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70中的至少一个所经历的扭矩。

控制器模块80可配置成获得、获取或以其它方式接收压力输出、速度输出以及扭矩输出，并运行燃烧发动机10的起动顺序，其中，空气起动器52对发动机10的曲轴12旋转式地进行驱动，直到发动机10达到自持运行转速为止。虽然控制器模块80已被示出为与壳体60分开，但将理解到，控制器模块80可备选地合并于壳体60内，或安装到壳体60。控制器模块80还可配置成输出表示起动顺序的信号。

通过非限制性的示例，控制器模块80可包括处理器81，处理器81配置成对燃烧发动机10的起动顺序进行监测。燃烧发动机10的起动顺序可包括：对速度输出、压力输出或扭矩输出进行监测；和反复地将速度输出、压力输出或扭矩输出与起动顺序廓线进行比较。燃烧发动机10的起动顺序还可包括反复地确定速度输出、压力输出或扭矩输出是否超过起动顺序廓线阈值。如本文中所使用的，起动顺序廓线可包括一组廓线，这组廓线包括但不限于起动顺序速度廓线、起动顺序压力廓线或起动顺序扭矩廓线。

控制器模块80还可包括(若干)运行起动顺序廓线存储于其中的存储器82，用以运行涡轮空气起动器组件52，以确定速度输出、压力输出或扭矩输出是否超过起动顺序廓线阈值。存储器82可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器或一个或多个不同类型的便携式电子存储器(诸如，盘、DVD、CD-ROM等)或这些类型的存储器的任何合适的组合。控制器模块80可与存储器82可操作地联接，使得控制器模块80和存储器82之一可包括计算机程序的全部或一部分，该计算机程序具有可运行指令集，用以对压力阀56、涡轮空气起动器组件52的运行和/或运行方法进行控制。程序可包括计算机程序产品，计算机程序产品可包括机器可读的介质，用以使机器可执行的指令或数据结构存储于机器可读介质上或承载存储于其上的机器可执行的指令或数据结构。这种机器可读的介质可为可供通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何可用介质。大体上，这样的计算机程序可包括例行程序、程序、对象、组分、数据结构、算法等，它们具有执行特定任务的技术效果，或实现特定抽象数据类型。如本文中所公开的，机器可执行的指令、相关联的数据结构和程序代表用于执行信息的交换的程序代码的示例。机器可执行的指令可包括例如指令和数据，这些指令和数据致使通用计算机、专用计算机、控制器模块80或专用处理机器执行某一功能或功能组。在实施方案中，压力阈值和速度阈值可转换成算法，算法可转换成计算机程序，计算机程序包括可由处理器81执行的一组可执行的指令。

前面提到的起动顺序廓线可包括例如一个或多个阈值、阈值范围或取决于时间或顺序的阈值(即，在起动顺序时段内变化的阈值)。

在一个示例中，起动顺序速度阈值可包括预定转速值或目标转速，其中，燃烧发动机10达到自持运行转速，且因而起动顺序可停止。在另一示例中，起动顺序速度阈值可包括预定的最大转速值，预定的最大转速值表示燃烧发动机10的超速状况。在该示例中，起动顺序速度阈值可备选地包括预定的转速范围，预定的转速范围受范围的下限的自持运行转速和表示范围的上限的超速状况的最大转速值约束、限制或限定。在又一示例中，起动顺序速度阈值可包括起动顺序速度廓线，其中，廓线限定与起动顺序时段有关的一组速度廓线值。在此意义上，起动顺序速度阈值可包括速度廓线，在该速度廓线中，第一时段(即，3秒)之后的第一目标速度值小于第二时段时的第二目标速度值，其中，第二时段(即，5秒)迟于或晚于第一时段。可包括另外或备选的起动顺序速度阈值或范围。

在另一示例中，起动顺序扭矩阈值可包括预定的最大扭矩值，预定的最大扭矩值表示施加到小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70中的至少一个上而不对起动器52或前面提到的构件72、74、70中的至少一个造成损坏的最大扭矩量。在另一示例中，起动顺序扭矩阈值可包括起动顺序扭矩廓线，其中，廓线限定与起动顺序时段有关的一组扭矩廓线值。在此意义上，起动顺序扭矩阈值可包括扭矩廓线，在扭矩廓线中，最大扭矩值与第一时段(即，3秒)有关，且在扭矩廓线中，在晚于第一时段的第二时段(即，5秒)之后，最大扭矩值增大、减小或成比例地变更。

本公开的实施例还可包括起动顺序廓线、起动顺序速度廓线、起动顺序压力廓线或起动顺序扭矩廓线中的至少一个与小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70的加速度或加速率有关的示例。

控制器模块80还被示出为进一步与任选的指示器联接，指示器能够输出人类可检测的信号，以提醒使用者注意燃烧发动机10的起动顺序的状况。可容易地理解到，人类可检测的信号是能够由使用者检测的任何信号。这样的指示器可包括可见或光型指示器或可听型指示器或可见或可听的人类可检测信号的任何组合。光型指示器的示例可包括白炽灯、发光二极管(LED)或一组几个LED。应当注意到，光型指示器可产生单个光脉冲或一系列光脉冲。可听指示器的示例可包括能够产生蜂鸣声、一连串的蜂鸣声、可听的声音或语音消息的任何合适的发声器。在所示出的示例中，警报灯84、可起动发动机的灯85以及扬声器86被示出为与控制器模块80或处理器81可操作地联接。控制器模块80或处理器81还可配置成传达或发送与燃烧发动机10的起动顺序的状况有关的征象或信息。通过非限制性的示例，文本、电子邮件或另一类消息可被传输到使用者，或被发送到数据库，以供存储或处理。

更进一步，响应模块88可如所示出地那样作为控制器模块80的一部分而被包括，或与控制器模块80分开而被包括。响应模块88可配置成从控制器模块80接收表示起动顺序的状况的信号。备选地，响应模块88也可传达信息，或控制任选的指示器84、85和86。

虽然示出且描述了压力传感器76、速度传感器78以及扭矩传感器79，但本公开的实施例可包括经由传感器76、78、79的子设备而对所经历的转速或扭矩中的至少一个进行测量、感测、计算或估计。例如，处理器81可配置成确定、计算或估计与速度、压力或扭矩有关的一组值或参数。因而，速度、压力或扭矩的直接感测或测量可为任选的。在本公开的一个实施例中，小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70中的至少一个的转速可由控制器模块80或处理器81使用压力传感器76或扭矩传感器79的所提供的输出来估计。在本公开的另一示例性的实施例中，小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70所经历的扭矩可由控制器模块80使用速度传感器78的所提供的输出来估计。可包括估计压力、速度或扭矩中的一个或多个的另外的示例。

压力阀56可包括可控制的继动阀，可控制的继动阀能够响应于控制器模块80所供应的控制信号，对由压力源54供应至涡轮空气起动器组件52的空气压力进行调节。在此意义上，压力阀56位于小齿轮72、齿轮系74以及可旋转涡轮70的上游。压力阀56还可包括压力传感器76，压力传感器76能够感测或测量供应至涡轮空气起动器组件52的空气压力，并且产生代表供应至涡轮空气起动器组件52的空气压力的模拟或数字信号。压力阀56可进一步向控制器模块80提供该压力传感器76的信号(例如，作为反馈环的一部分)，以确保压力阀56的正确运行。

在燃烧发动机10的起动顺序的运行期间，响应于所提供的空气压力的供应，涡轮空气起动器组件52和压力阀56运行，以产生力，诸如可旋转的小齿轮72处的扭矩。如上文所解释的，施加(经由齿轮箱19和曲轴12)涡轮空气起动器组件52所产生的扭矩，以产生供压缩冲程使用的压缩力，以使压缩室30的内含物压缩(无燃烧)。由于对于足够的起动顺序性能所必需的低速运行，导致由压力阀56供应至涡轮空气起动器组件52的空气可为可变的，包括不连续的。例如，控制器模块80可对压力阀56进行控制，以提供阵阵供应空气，从而保持燃烧发动机10以预期或目标速度旋转。另外，控制器模块80可对压力阀56进行控制，以提供持续或增大量的供应空气，从而使燃烧发动机10根据起动顺序廓线旋转或加速。

当进行发动机10的起动顺序时，控制器模块80可接收传感器输出，包括但不限于来自压力传感器76的压力输出、来自速度传感器78的速度输出以及来自扭矩传感器79的扭矩输出。控制器模块80可对传感器输出进行监测，并反复地将输出与对应的起动顺序廓线阈值、范围或值进行比较，以确定起动顺序是否如预期那样运行，以及是否将进行对起动顺序的某进一步的动作或控制。在第一示例中，在本公开的一个实施例中，例如，在同时地反复地比较或反复地确定所监测的扭矩参数是否超过或满足起动顺序扭矩阈值的同时，控制器模块80可反复地比较或反复地确定所监测的速度参数是否超过或满足起动顺序速度廓线。在该第一示例性实施例中，如上文所解释的，起动顺序速度廓线可包括起动顺序的目标转速或速度廓线，且可与时段有关。另外，如上文所解释的，起动顺序扭矩廓线可包括最大扭矩值。

响应于满足比较或响应于确定所监测的速度参数未超过起动顺序速度廓线，且所监测的扭矩参数未超过起动顺序扭矩阈值，在该第一示例性实施例中，控制器模块80可例如通过可控制地使控制阀56运行，以增加供应至可旋转涡轮70的供应空气，来可控制地增大空气起动器52的转速。通过增加供应至可旋转涡轮70的供应空气，空气起动器52可控制地或可操作地使燃烧发动机10的小齿轮72和曲轴12的旋转加速。在防止所监测的扭矩参数满足或超过起动顺序廓线的起动顺序扭矩阈值的同时，由控制器模块80实现的空气起动器52的转速的可控制的增大还可导致起动器52的转速增大或配置成增大起动器52的转速。换句话说，在空气起动器52或燃烧发动机10的转速低于速度廓线时，只要未超过扭矩阈值，可控制模块80就可增大转速。

在本公开的第二示例性的实施例中，控制器模块80可对与燃烧发动机10可旋转地联接的空气起动器52或小齿轮72的加速率进行控制，同时对表示小齿轮72在受控制的加速率期间所经历的扭矩的扭矩参数进行监测。在此期间，控制器模块80可进一步反复地比较或反复地确定所监测的扭矩参数是否超过或满足起动顺序扭矩阈值。响应于满足所监测的扭矩参数超过起动顺序扭矩阈值的比较关系，或响应于确定所监测的扭矩参数超过起动顺序扭矩阈值(例如，这表示可对空气起动器52造成损坏)，控制器模块80可通过对可控制阀56进行控制，以减少对起动器52的空气供应，而可控制地降低空气起动器52或小齿轮72的转速或加速率。备选地，控制器模块80可通过对可控制阀56进行控制，以维持对起动器52的空气供应，而可控制地维持起动器52或小齿轮72的转速。

控制器模块80可随后继续使空气起动器52运行以增大在稍后的时段处的转速或加速率的方法，其中，扭矩参数未超过或未满足起动顺序扭矩阈值。换句话说，在燃烧发动机10或空气起动器52所经历的扭矩大于扭矩阈值时，可控制地降低小齿轮72的加速率，以防止对发动机10或起动器52造成损坏。

本公开的上述的示例性实施例还可根据另外的考虑因素而可控制地操作。例如，所描述的控制的方法可配置成确保在目标时段的终止之前，燃烧发动机10达到目标转速或达到由起动顺序廓线限定的自持运行转速。另外，在不了解或不考虑燃烧发动机10本身的情况下，控制的方法可确保在目标时段的终止之前，燃烧发动机10达到目标转速或达到自持运行转速。例如，本公开的实施例可运行使可与空气起动器52旋转式地联接的任何燃烧发动机10的起动顺序运行的方法。

在本公开的又一示例性实施例中，控制器模块80可反复地对速度参数进行监测，且反复地确定所监测的速度参数是否超过最大速度阈值，其中，最大速度阈值表示燃烧发动机10的超速状况。响应于确定存在燃烧发动机10的超速状况，控制器模块80能够可控制地减小空气起动器52的加速率或停止起动顺序。

本公开的上述的示例性实施例可进一步运行，使得控制器模块80可对起动顺序进行控制，直到燃烧发动机10达到(例如，如起动顺序廓线中所限定的)自持运行转速为止，且随后停止运行的方法。控制器模块80可进一步配置成提供起动顺序的完成的征象。通过非限制性的示例，征象可呈在警报灯84或扬声器86上的视觉征象(诸如，闪光)或可听征象(诸如，警报或声音)的形式。通过另外的非限制性的示例，征象可包括文本、电子邮件或其它消息通知，它们被传输到使用者或发送到数据库以供存储或处理。控制器模块80还可配置成对响应模块88或单独的控制器输出已起动燃烧发动机10的信号。

备选地，上述的示例性实施例可运行，使得一满足所监测的值超过起动顺序廓线的比较关系或确定所监测的值超过起动顺序廓线，就可使起动顺序停止、中止、中断，或防止其达到自持运行转速。在该备选的配置中，控制器模块80可提供起动顺序的停止或故障的征象。通过非限制性的示例，征象可呈在警报灯84或扬声器86上的视觉征象(诸如，闪光)或可听征象(诸如，警报或声音)的形式。通过另外的非限制性的示例，征象可包括文本、电子邮件或其它消息通知，它们被传输到使用者或发送到数据库以供存储或处理。控制器模块80还可配置成对响应模块88或单独的控制器输出起动顺序的停止或故障的信号。

虽然描述了第一示例性实施例和第二示例性实施例，但本公开的另外的实施例可包括上述示例的组合。例如，针对第一示例性实施例的备选方案可包括响应于确定所监测的扭矩参数超过起动顺序扭矩阈值，由控制器模块80可控制地减小空气起动器52的转速或可控制地维持起动器52的转速。在另一情况中，针对第二示例性实施例的备选方案可包括反复地对速度参数进行监测并反复地确定所监测的速度参数是否超过起动顺序速度廓线。

如本文所使用的，术语“满足”在本文中用于意指，输出满足对应的预定阈值或范围，诸如等于、小于或大于对应的预定阈值。将理解到，这样的确定可容易地变更以通过正/负比较关系或对/错比较关系而得到满足。

根据本公开的示例性实施例，图4示出用于以起动器(诸如，空气起动器52)起动燃烧发动机10的方法100。方法100包括对传感器输出102进行监测。如本文中所解释的，例如，传感器输出可包括代表或表示所感测的压力的值(例如，来自压力传感器76)、代表或表示所感测的速度的值(例如，来自速度传感器78)、代表或表示所感测的扭矩的值(例如，来自扭矩传感器76)或以上值的组合。方法100随后继续进行，以确定燃烧发动机10是否达到了起动速度104(诸如，自持运行转速)。如果燃烧发动机10达到了起动速度(在104，为是)，则方法停止106。如果燃烧发动机10尚未达到起动速度(在104，为否)，则控制器模块80确定在给定的时间处，所监测的速度参数是否超过速度廓线108中所包括的对应速度值。如果速度参数超过速度廓线的对应速度值(在108，为是)，则方法100继续，使得控制器模块80可例如停止、降低或维持空气起动器52的速度110。在降低、中止或维持速度110之后，方法100返回到对传感器输出102进行监测。备选地，方法100可任选地使速度110停止106，而不是降低、中止或维持速度110。

如果确定速度参数未超过速度廓线的对应速度值(在108，为否)，则控制器模块80确定所监测的扭矩参数是否超过扭矩阈值112。如果确定扭矩参数超过扭矩阈值(在112，为是)，则控制器模块80可例如中止、降低或维持空气起动器52的速度110。如果确定扭矩参数未超过扭矩阈值(在112，为否)，则方法100 继续可控制地增大空气起动器52的转速114，并且，方法100可返回到对传感器输出102进行监测。

所描绘的顺序仅出于图示性的目的，而不旨在以任何方式限制方法100，因为，理解到，方法的部分可按不同的逻辑次序进行，可包括附加或介入的部分，或所描述的方法的部分可被分成多个部分，或可省略所描述的方法的部分，而不会有损于所描述的方法。

如本文所使用的术语“起动顺序”和“起动的顺序”包括在无任何燃烧的情况下致使活塞14在活塞室18中移动的顺序。而且，术语“起动顺序”可被认为是预起动顺序，即，在尝试将发动机10起动成自给自足的运行模式之前(包括燃烧发动机10中的压缩冲程之前)的运行。在顺序期间，燃烧发动机10可禁止将导致燃料的燃烧的燃烧循环的方面。例如，燃烧发动机10可禁止燃料的喷射、火花塞的运行等，使得空气起动器52可通过燃烧循环而在无任何燃烧的情况下实现活塞14在活塞室18中的移动。

图5示出一组示例性曲线图，其示出起动顺序的方法，在该方法中，未出现错误并且发动机被起动。如所描述的，所提供的图表意在示出方法的一个非限制性的示例，而并非专门代表任何必要的信号、传感器、值或方法的运行。第一图表300示出表示随着时间的推移空气入口64处的空气压力的压力输出。第二图表302示出燃烧发动机10的速度。第三图表304示出小齿轮72、齿轮系74或可旋转涡轮70中的至少一个所经历的扭矩。另外，示例性曲线图示出扭矩阈值廓线310和速度阈值廓线312，扭矩阈值廓线310表示在不对燃烧发动机10或空气起动器52造成损坏的情况下经历的扭矩的预定最大量，速度阈值廓线312表示发动机10的自持运行转速。

起初，控制器模块80可开启空气起动器52，并开始供应空气压力300。在所示出的示例中，增大压力300，使得空气起动器52产生扭矩，扭矩开始使燃烧发动机10如在燃烧发动机10的转速302的从动增大中所示地那样旋转。如所示的，扭矩中的初始峰值314与发动机10的旋转302的起动一致。在此意义上，扭矩304中的初始峰值314将打破燃烧发动机10的初始惯性载荷。控制器模块80能够可控制地使可控制阀运行，以确保初始峰值314未超过最大扭矩阈值310。

控制器模块80继续增大空气压力300，直到扭矩304达到最大扭矩阈值310为止，此后，控制器模块80对可控制阀56进行控制，以减小空气压力300的增大速率，使得扭矩304未超过最大扭矩阈值310。发动机10的转速302继续增大，直到速度302在点316处达到速度阈值312为止。在发动机10的转速302达到点316之后，发动机10可被起动，且可在自持运行中进一步增大转速302。一旦发动机已起动，控制器模块80就可停止该方法，例如，从而减小空气压力300和扭矩302。

本公开设想了除上文的附图中所示出的之外的许多其它可行的实施例和配置。例如，燃烧发动机可包括连续式燃烧发动机(诸如，燃气涡轮发动机)。在该示例中，燃气涡轮发动机可具有与曲轴形成对照的可旋转的转子，可旋转的转子可与空气起动器旋转式地联接，以运行起动顺序。在另一示例中，发动机起动器可包括与空气或气动起动器形成对照的电力起动器或液压起动器。上述的方法可同样地应用于本文所描述的任何备选的实施例和配置。

本文所公开的实施例提供燃烧发动机起动器和用于起动燃烧发动机的方法。技术效果是，上述的实施例允许施加力，以使燃烧发动机中的可旋转元件旋转，从而在不对起动器或发动机造成损坏的情况下实现燃烧发动机的起动。由上述实施例所实现的一个优点是，设备和方法减少可在暴露于高水平的扭矩下发生的起动器、涡轮或小齿轮破坏的发生。在此意义上，通过保持扭矩水平在扭矩阈值以下，起动器组件可经历较少的损坏发生(诸如，小齿轮破坏)。另外，本文所描述的方法可限制起动器组件或燃烧发动机的转速，以防止起动顺序期间的超速状况。

另外，通过使用控制器模块来对从涡轮空气起动器组件获得的多种传感器输出进行监测，且通过对可控制阀进行控制，使得起动顺序可比其它已知的方法更有效地运行。更有效的运行可包括减少达到自立运行转速所需要的时间量或确保在预定时段内完成起动顺序。另外，无论燃烧发动机类型、尺寸、制造商等如何，都可进行起动顺序的较有效的运行。上述实施例的又一优点是，方法对使用者提供成功地完成了起动顺序或出现了问题的征象。

在尚未描述的广度上，可根据需要将多个实施例的不同特征和结构彼此组合而使用。可能未在所有的实施例中示出的那一个特征不意在被解释为其不能被实现，而是为了使描述简洁而这样做。因而，可根据需要使不同实施例的多个特征混合和匹配，无论是否明确地描述了该新的实施例。此外，虽然描述了“一组”多个元件，但将理解到，“一组”可包括任何数量的相应元件，包括仅一个元件。本公开涵盖本文所描述的特征的所有组合或置换。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还允许本领域任何技术人员实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利性范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等同结构要素，则这样的其它示例意在处于权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种起动以起动器起动的燃烧发动机的方法，所述方法包括：

在所述燃烧发动机的起动顺序期间，由控制器模块对速度参数和扭矩参数进行监测，该速度参数表示与所述燃烧发动机旋转式地联接的所述起动器的转速，该扭矩参数表示所述起动器的扭矩；

在所述控制器模块中，确定所监测的所述速度参数是否超过起动顺序速度廓线中所包括的对应速度值，并确定所监测的所述扭矩参数是否超过起动顺序扭矩阈值；以及

响应于确定所监测的所述速度参数未超过所述起动顺序速度廓线的所述对应速度值，且所监测的所述扭矩参数未超过所述起动顺序扭矩阈值，由所述控制器模块可控制地增大所述起动器的所述转速，使得所述增大防止所监测的所述扭矩参数满足所述起动顺序扭矩阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述扭矩参数进行所述监测包括对所述起动器的小齿轮所经历的所述扭矩进行监测。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定在目标时段的终止之前，所监测的所述速度参数是否超过目标转速。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括确定在目标时段之前，所监测的所述速度参数是否超过目标转速。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述起动器的所述速度参数进行所述监测包括对电力起动器、气动起动器或液压起动器中的至少一个的所述扭矩参数进行监测。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述气动起动器的所述扭矩参数进行所述监测包括对涡轮空气起动器的所述扭矩参数进行监测。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，可控制地增大所述起动器的所述转速包括控制用以向所述涡轮空气起动器提供加压空气供应的阀。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当所述燃烧发动机达到自持运行转速时，停止增大所述起动器的所述转速。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定所监测的所述扭矩参数是否超过最大扭矩阈值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括确定所监测的所述扭矩参数是否超过表示对所述起动器造成损坏的预定扭矩阈值。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括确定所监测的所述扭矩参数是否超过表示对所述起动器的小齿轮造成损坏的预定扭矩阈值。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括响应于确定所监测的所述扭矩参数超过所述起动顺序扭矩阈值，进行以下中的至少一者：由所述控制器模块可控制地减小所述起动器的所述转速、由所述控制器模块可控制地维持所述起动器的所述转速或由所述控制器模块停止所述起动顺序。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定所监测的所述扭矩参数是否超过最大扭矩廓线阈值。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：确定所监测的所述速度参数是否超过表示达到自持运行转速的最小速度阈值；和当所述燃烧发动机达到所述最小速度阈值时，停止增大所述起动器的所述转速。

15.一种起动燃烧发动机的方法，所述方法包括：

在所述燃烧发动机的起动顺序期间，由控制器模块控制与所述燃烧发动机可旋转地联接的涡轮空气起动器小齿轮的加速率；

由所述控制器模块对扭矩参数进行监测，该扭矩参数表示在对所述加速率进行所述控制期间所述小齿轮所经历的扭矩；

在所述控制器模块中，确定所监测的所述扭矩参数是否满足起动顺序扭矩阈值；

响应于确定所监测的所述扭矩参数满足所述起动顺序扭矩阈值，可控制地降低所述小齿轮的所述加速率；以及

所述燃烧发动机一达到自持运行转速，就停止所述起动顺序。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括对与连续式燃烧发动机或往复式内燃发动机中的至少一个可旋转地联接的涡轮空气起动器小齿轮的所述加速率进行控制。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：

通过所述控制器模块对表示所述涡轮空气起动器小齿轮的转速的速度参数进行监测；

确定所监测的所述速度参数是否超过表示所述燃烧发动机的超速状况的最大速度阈值；以及

响应于确定所监测的所述速度参数超过最大速度阈值，进行以下中的至少一者：由所述控制器模块可控制地减小所述涡轮空气起动器小齿轮的所述加速率；或由所述控制器模块停止所述起动顺序。

18.一种涡轮空气起动器组件，包括：

壳体，其限定具有空气入口和空气出口的内部，该空气入口和该空气出口限定通过所述壳体的流径；

可旋转涡轮，其位于所述内部内的所述流径内；

可控制的压力阀，其位于所述可旋转涡轮的上游；

可旋转的小齿轮，其与所述可旋转涡轮可旋转地联接，其中，所述可旋转的小齿轮在所述壳体的外部延伸，且可操作地联接到燃烧发动机；

扭矩传感器，其提供表示所述小齿轮所经历的扭矩的扭矩输出；以及

控制器模块，其配置成：

在所述燃烧发动机的起动顺序期间，对速度参数和扭矩参数进行监测，该速度参数表示所述涡轮空气起动器组件的转速，该扭矩参数表示所述涡轮空气起动器组件的扭矩；

确定所监测的所述速度参数是否超过起动顺序速度廓线，并确定所监测的所述扭矩参数是否超过起动顺序扭矩阈值；以及

响应于确定所监测的所述速度参数未超过所述起动顺序速度廓线且所监测的所述扭矩参数未超过所述起动顺序扭矩阈值，由所述控制器模块可控制地增大所述涡轮空气起动器的所述转速，使得所述增大防止所监测的所述扭矩参数满足所述起动顺序扭矩阈值。

19.根据权利要求18所述的涡轮空气起动器组件，其特征在于，所述控制器模块进一步配置成当所述燃烧发动机达到自持运行转速时，停止增大所述小齿轮的所述转速。

20.根据权利要求18所述的涡轮空气起动器组件，其特征在于，还包括速度传感器，该速度传感器提供表示所述小齿轮的所述转速的速度输出。

Images