CN108474705A - 压力监测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测活塞发动机(1)的气缸压力的压力监测装置包括线性编码器(3)，该线性编码器包括读头(3a)和标尺(3b)并且被构造成监测所述活塞发动机(1)的部件(6，8)的位移或变形，以基于所测量的位移值或变形值来确定气缸压力。

Description

压力监测装置和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于监测活塞发动机的气缸压力的压力监测装置。本发明还涉及如其它独立权利要求的前序部分限定的用于监测活塞发动机的气缸压力的方法。
背景技术
活塞发动机的气缸压力通常使用压力传感器进行监测。发动机的每个气缸都需要自身的压力传感器。为了能够测量气缸内部压力，压力传感器需要与燃烧室流体连通。因为燃烧室内的高压和高温，压力传感器需要非常健壮。对于压力传感器的密封也设置了高标准。出于上述原因，压力传感器的使用相对昂贵。因此，存在对气缸压力进行非接触式可靠监测的需要。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于监测活塞发动机的气缸压力的改进压力监测装置。根据本发明的装置的特性化特征在权利要求1的特征部分给出。本发明的另一个目的是提供一种用于监测活塞发动机的气缸压力的改进方法。根据本发明的方法的特性化特征在其它独立权利要求的特征部分中给出。
根据本发明的压力监测装置包括线性编码器，该线性编码器包括读头和标尺并且被构造成监测所述活塞发动机的部件的位移或变形，以基于所测量的位移值或变形值来确定气缸压力。
根据本发明的方法包括使用线性编码器监测活塞发动机的部件的位移或变形并且基于所测量的位移或变形来确定压力的步骤。
通过根据本发明的装置和方法，无需将传感器暴露于燃烧气体就能够监测活塞发动机的气缸压力。线性编码器相对廉价并且可从各种制造商广泛地获得。许多线性编码器提供数字输出，因而容易将这些编码器集成到发动机的控制系统。
根据本发明的一个实施方式，所述编码器是正交增量式编码器。正交编码器允许确定运动方向。所述编码器例如可以为磁性编码器。磁性编码器在发动机的条件下比较稳定，这是因为磁性编码器对灰尘不敏感。与例如感应式编码器相比，磁性编码器还具有更小的跳动(jitter)。
根据本发明的一个实施方式，所述编码器被布置成监测气缸衬套相对于发动机缸体的纵向位移。根据测试，气缸压力和气缸衬套的位移之间的相关性较高。所述编码器可以在所述气缸衬套的曲轴端处监测所述气缸衬套的位移。所述编码器更容易组装至所述气缸衬套的下端。
根据本发明的另一个实施方式，所述编码器被布置成监测气缸盖相对于发动机缸体的位移。另选地，所述编码器可以被布置成监测气体交换阀相对于气缸盖的位移。这允许还使用所述编码器来监测阀的升程。
根据本发明的另一个实施方式，所述编码器被布置成监测燃料喷射器或水喷射器相对于气缸盖的位移。所述编码器也可以被布置成监测起动阀或安全阀相对于气缸盖的位移。
根据本发明的另一个实施方式，所述编码器被布置成监测气缸衬套的圆周长度。所述编码器可以布置在所述气缸衬套的气缸盖端处。这允许监测上死点处的气缸压力。
所述编码器的所述标尺可以布置在所述气缸衬套的外表面上，从而增加气缸衬套直径使所述标尺相对于所述读头移动。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明的实施方式，其中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的压力监测装置的发动机；
图2示意性地示出了具有根据本发明的一个实施方式的压力监测装置的活塞发动机的气缸；以及
图3示意性地示出了具有根据本发明的另一个实施方式的压力监测装置的气缸衬套的剖视图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了活塞发动机1。该发动机1是大型内燃发动机，诸如船舶的主发动机或辅助发动机或者在发电厂用来发电的发动机。发动机1的额定功率至少为150kW/气缸，并且气缸孔至少为150mm。发动机1包括多个气缸2。在图1中，示出了四个气缸1，但是发动机1可包括任何合理数量的气缸2，这些气缸例如可以以直列或V构造布置。
发动机1包括用于监测发动机1的气缸2中的气缸压力的压力监测系统。气缸压力不是直接测量的，而是该压力监测系统包括线性编码器3，该线性编码器3用来确定气缸压力。发动机1的每个气缸2都设有自身的线性编码器3。每个线性编码器3都被构造成监测发动机1的部件的位移或变形，以确定发动机1的其中一个气缸2的气缸压力。线性编码器3连接至控制单元4。控制单元4用于基于由线性编码器3进行的测量来确定发动机1的每个气缸2中的气缸压力。通过线性编码器3，能够以非接触方式确定气缸压力。该线性编码器3可以布置在气缸2外部，从而它们不暴露于燃烧气体。
在压力监测系统中使用的线性编码器3可以基于许多不同的另选操作原理。线性编码器3例如可以是磁性、感应式、电容式或光学编码器或者其操作可以基于涡流进行操作。磁性编码器的优点是，它们对于灰尘不敏感，因此在发动机环境下功能可靠。编码器3可以是增量式编码器或绝对编码器。由于不需要知道绝对位置，增量编码器就足够了。编码器3优选为正交编码器。正交编码器产生具有90°相位差的两个信号，这允许确定运动方向。增量式正交编码器设有两个读头，这两个读头相对于编码器的标尺定位，从而这两个读头产生相对于彼此具有90°相移的信号。编码器3可以产生模拟信号，该模拟信号可以在编码器3内部转换成数字信号。
在图2中示出了根据本发明的一个实施方式的压力监测装置。该压力监测装置用来监测发动机1的一个气缸2中的压力。发动机1的每个气缸2都设有类似装置。图2示意性地示出了气缸衬套6、气缸盖8和发动机缸体7的一部分。气缸衬套6部分地布置在发动机缸体7内。气缸盖8布置在气缸衬套6的上端处以将气缸2的上端关闭。气缸衬套6和气缸盖8一起限定燃烧室。在图2的实施方式中，线性编码器3被构造成监测气缸衬套6相对于发动机缸体7的位移。线性编码器3包括读头3a和标尺3b。表述“读头”在这里也指正交编码器的传感器，该正交编码器实际上包括集成在传感器单元中的两个读头。标尺3b附装至气缸衬套6的外表面。在感应式编码器的情况下，标尺3b可以由直接制作在气缸衬套6的外表面上的凹槽构成。在磁性编码器的情况下，具有相反磁场方向的区域交替。
读头3a附装至发动机缸体7。读头3a能够监测标尺3b的移动，因此能够确定气缸衬套6相对于发动机缸体7的位移。标尺3b和读头3a之间不需要机械接触。线性编码器3连接至控制单元(在图2中未示出)，在该控制单元中将位移值转换成压力值。气缸衬套6的位移和气缸压力之间的相关性可以通过例如实验来确定。根据测试，气缸衬套6的位移与气缸压力具有高相关性。图2的压力监测装置因而提供用于监测气缸压力的可靠的非接触式方法。在图2的实施方式中，线性编码器3布置在气缸衬套6的下端(即曲轴端)处。线性编码器3更容易布置在气缸衬套6的下端处，并且温度较低。然而，线性编码器3也可以布置在某些其它位置。
在图2的实施方式中，监测气缸衬套6的位移。然而，线性编码器3也可以被构造成监测许多其它部件的位移。例如，可以监测气缸盖8相对于发动机缸体7的位移。此外，可以监测气体交换阀(即进气阀或排气阀)相对于气缸盖8的位移。这将具有如下优点：同一个线性编码器还可以监测阀的升程。线性编码器还可以布置成监测燃料喷射器或水喷射器相对于气缸盖8的位移。另选地，可以监测起动阀或安全阀相对于气缸盖8的位移。
图3示出了根据本发明的另一个实施方式的压力监测装置。在该实施方式中，监测气缸衬套6的变形而不是气缸衬套6的位移。线性编码器3被布置成监测气缸衬套6的圆周长度。带9围绕气缸衬套6布置。带9具有第一端9a和第二端9b。带9的第一端9a固定至气缸衬套6。线性编码器3包括读头3a和标尺3b。线性编码器3可以类似于在图2的实施方式中使用的编码器3。标尺3b附装至带9的第二端9b。标尺3b因而与带9一起移动。读头3a附装至气缸衬套6。弹性构件10附装至带9的第二端9b，并且被构造成将带9的第二端9b拉向第一端9a。弹性构件10例如可以是弹簧或弹性材料条。在图3的实施方式中，弹性构件10的一端附装至带9的第一端9a。然而，弹性构件10也可以附装至气缸衬套6。
线性编码器3的读头3a监测标尺3b的位置。当气缸衬套6的直径由于气缸压力增加而增加时，气缸衬套6的圆周长度增加。由于带9的第一端9a附装至气缸衬套6，气缸衬套6的膨胀使带9的第二端9b从第一端9a移开。编码器3的标尺3b与带9一起移动，并且由读头3a检测该移动。当气缸压力下降时，气缸衬套6的圆周长度减小，并且弹性构件10的力使带9的第二端9b再次朝向带9的第一端9a移动。基于对标尺3b相对于读头3a的位置的监测，可以在控制单元(在图3中未示出)中确定气缸压力。气缸衬套6的圆周长度和气缸压力之间的关系可以例如通过实验确定。与监测气缸衬套6的位移的实施方式相比，该实施方式的优点是相邻气缸衬套6的运动不会干扰监测。与使用在气缸衬套6的周边的小部分上延伸的应变仪监测气缸衬套6的变形的解决方案相比，在该实施方式中可以获得更好的精度，这是因为测量气缸衬套6的整个周边长度。弹性构件10不是必要元件，但是带9可以被预张紧，使得带9的形状跟随气缸衬套6的直径变化。
带9和线性编码器3优选接近气缸衬套6的气缸盖端布置，以允许在活塞位于上死点位置时也能够进行压力监测。
本领域技术人员将认识到，本发明不限于以上描述的实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内进行修改。

Claims (13)

1.一种用于监测活塞发动机(1)的气缸压力的压力监测装置，其特征在于，所述压力监测装置包括线性编码器(3)，该线性编码器(3)包括读头(3a)和标尺(3b)并且被构造成监测所述活塞发动机(1)的部件(6，8)的位移或变形，以基于所测量的位移值或变形值来确定气缸压力。
2.根据权利要求1所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)是正交增量式编码器。
3.根据权利要求1或2所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)为磁性编码器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)被布置成监测气缸衬套(6)相对于发动机缸体(7)的纵向位移。
5.根据权利要求4所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)被布置成在所述气缸衬套(6)的曲轴端处监测所述气缸衬套(6)的位移。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)被布置成监测气缸盖(6)相对于发动机缸体(7)的位移。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)被布置成监测气体交换阀相对于气缸盖(8)的位移。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)被布置成监测燃料喷射器或水喷射器相对于气缸盖(8)的位移。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)被布置成监测起动阀或安全阀相对于气缸盖(8)的位移。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)被布置成监测气缸衬套(6)的圆周长度。
11.根据权利要求10所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)布置在所述气缸衬套(6)的气缸盖端处。
12.根据权利要求10或11所述的压力监测装置，其中，所述编码器(3)的所述标尺(3b)布置在所述气缸衬套(6)的外表面上，从而增加气缸衬套直径使所述标尺(3b)相对于所述读头(3a)移动。
13.一种用于监测活塞发动机(1)的气缸(2)中的压力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：使用线性编码器(3)监测所述活塞发动机(1)的部件(6，8)的位移或变形，并且基于所测量的位移或变形来确定压力。
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