CN116066234A - 推断发动机气缸压力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法包括驱动器部件，被驱动部件，以及设置在驱动器部件和被驱动部件之间的挠性联接器，所述驱动器部件具有刚性安装在其上并配置成提供指示驱动器部件的旋转的第一信号的第一传感器，以及相对于驱动器部件刚性安装的第二传感器；其中第二传感器提供指示被驱动部件的旋转的第二信号，并且控制器设置成接收第一信号和第二信号。控制器配置并操作以计算第一信号和第二信号之间的差异，并且主要基于第一信号和第二信号之间的差异推断驱动器部件和被驱动部件之间的扭矩变化。

Description

推断发动机气缸压力的系统和方法

技术领域

本专利公开一般涉及内燃式发动机，更具体地，涉及测量或估计发动机操作参数的系统和方法。

背景技术

内燃式发动机的操作基于空气和燃料混合物在一个或多个发动机气缸内的受控燃烧。滞留在气缸内的膨胀气体及其产生的压力推动设置在缸膛中的活塞，这又提供转动发动机的曲轴所必需的功以产生动力。发动机气缸内的气体压力有时用于监测空气/燃料燃烧进度以更好地控制发动机操作。当提供用于操作发动机的燃料的化学性质未知或不一致时，该监测尤其有用。例如，如果天然气的化学成分变化，则在使用天然气作为燃料来操作发动机的环境中操作发电机(发电机组)的发动机可能会出现不可靠的操作。

为了确保正常发动机操作，过去提出了可以测量操作发动机中的气缸压力的装置的各种解决方案。一些解决方案建议使用与气缸气体直接接触的压力传感器，但是这样的解决方案使这些传感器暴露于极端的操作条件，并且通常不可靠或可靠实施成本高昂。也提出了间接气缸压力测量。例如，Rackmil等人的美国专利第7,623,955号讨论了一种通过监测曲轴旋转来推断发动机中的指示平均有效压力(IMEP)的方法。Rackmil中公开的方法包括获取用于确定气缸特定的发动机速度的至少一个曲轴时间戳；使用气缸特定的发动机速度计算从先前燃烧的(第j-1)气缸到当前燃烧的(第j)气缸的发动机动能增量变化；使发动机动能增量变化等于从先前燃烧的(第j-1)气缸到当前燃烧的(第j)气缸的能量平均气缸扭矩变化(IMEP)；对随时间的多个发动机动能增量变化求和以确定指示扭矩的瞬态分量的值；确定准稳态指示发动机扭矩的值；以及将指示扭矩的瞬态分量的值与准稳态指示发动机扭矩的值相加以获得指示平均有效压力。然而，Rackmil的方法虽然在估计气缸压力方面至少部分有效，但也可能容易受到不准确的影响并且取决于通常与载具或机器中的传动装置和其他旋转结构连接的曲轴的旋转，这会进一步在测量方法中带来不准确。

发明内容

本公开在一个方面描述了一种在驱动器和被驱动系统之间的驱动装置。所述驱动装置包括可旋转驱动器部件，所述可旋转驱动器部件具有与其相关联的第一传感器和第二传感器，所述第一传感器相对于所述可旋转驱动器部件刚性安装，并且配置成提供指示所述可旋转驱动器部件的旋转的第一信号。所述装置还包括可旋转被驱动部件以及设置在所述可旋转驱动器部件和所述可旋转被驱动部件之间的挠性联接器。所述第二传感器配置成提供指示所述可旋转被驱动部件的旋转的第二信号。控制器设置成接收所述第一信号和所述第二信号。所述控制器配置成计算所述第一信号和所述第二信号之间的差异，并且主要基于所述第一信号和所述第二信号之间的差异推断所述可旋转驱动器部件和所述可旋转被驱动部件之间的扭矩变化。

在另一方面，本公开描述了一种发电机组，其包括具有多个气缸的发动机，以及发电机。所述发动机的多个气缸中的每一个连接到飞轮并配置成在所述发动机的操作期间驱动飞轮。第一定时传感器与所述发动机相关联并提供指示所述飞轮的旋转的输入信号。挠性联接件具有与所述飞轮连接的输入侧和与发电机的输入轴连接的输出侧。所述发电机的输入轴包括音圈。第二定时传感器相对于所述发动机刚性连接，并且配置成提供指示所述音圈的旋转的输出信号。控制器与所述发动机相关联。所述控制器设置成接收所述输入信号和所述输出信号。所述控制器被编程为计算所述输入信号和所述输出信号之间的差异，并且基于所述差异推断所述多个气缸中的每一个中的气缸压力。

在又一方面，本公开描述了一种用于测量跨过设置在可旋转驱动器部件和可旋转被驱动部件之间的挠性联接器的扭矩变化的方法。所述方法包括在所述可旋转驱动器部件和所述被驱动部件之间提供所述挠性联接器，所述挠性联接器具有与所述可旋转驱动器部件连接的驱动器侧和与所述可旋转被驱动部件连接的被驱动侧。第一传感器和第二传感器被提供并相对于所述挠性联接器的驱动器侧刚性安装。使用所述第一传感器感测所述可旋转驱动器部件的旋转以提供第一信号。使用所述第二传感器感测所述可旋转被驱动部件的旋转以提供第二信号。使用控制器计算所述第一信号和所述第二信号之间的差异以基于所述第一信号和所述第二信号之间的差异推断跨过所述挠性联接器的扭矩变化。

附图说明

图1是根据本公开的发电机组的轮廓图。

图2是图1中所示的发电机组的局部截面图，并且图3是其放大详视图。

图4是根据本公开的围绕飞轮环形齿轮的发动机的一部分的前视平面图。

图5是根据本公开的图。

图6和7是根据本公开的发动机的一部分的详细视图。

图8是根据本公开的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及发动机系统的管理，更特别地，涉及通过使用外部传感器间接测量或换句话说推断发动机的燃烧气缸内的气缸压力的系统和方法。

更具体地，在示例性实施例中，在图1中以轮廓图示出了发电机组100。发电机组100大体上包括发动机102，在该实施例中，所述发动机是燃气或天然气、火花点火发动机，具有沿着气缸壳体104以通常所说的V型构造布置成两行的12个燃烧气缸106。发动机102可以是任何类型的内燃式发动机，包括使用单一燃料、两种燃料、柴油和气体燃料的组合等以已知方式操作的压燃式发动机。发动机102包括冷却装置103，例如中冷器、散热器等，在气缸壳体104的内部包括曲轴(未示出)，所述曲轴与往复设置在气缸106内的活塞连接，并且配置成在发动机操作期间当气缸执行燃烧循环时围绕轴线108旋转，所述燃烧循环例如是4冲程循环，包括进气冲程、压缩冲程、提供动力使曲轴转动的动力冲程和排气冲程，这是已知的。

曲轴与设置在联轴器罩110内的飞轮212(图2)连接，所述飞轮又与传动装置112连接。也可以省略的传动装置112连接并驱动电力发电机114，所述电力发电机将发动机的机械能转换为电能。来自发电机114的电力可以用于许多电力或混合动力应用。在一个示例中，发电机组100可以在陆上或海上的石油和天然气设施中操作，使得多余的天然气副产品可以单独或与另一种燃料组合用作燃料以操作发动机102。来自发电机的电力用于操作设备，为推进系统提供原动力，或两者的组合。开关装置116与发电机114连接并用于控制和分配由此产生的电力。控制器118配置成监测和控制发动机102和发电机114的操作以便在服务期间达到最佳水平。

在图示的实施例中，控制器118还配置成基于连接到开关装置116的用电系统的电力需求并且也基于由用于为发动机102提供燃料的天然气的化学组成的差异所引起的发动机操作的变化调整发动机的操作，例如，在燃料量、点火定时、功率输出等方面。例如，具有较低辛烷值的化合物的较高浓度可能需要延缓发动机的点火和喷射定时，相应地，较低质量的燃料可能需要提前发动机的点火和定时以避免在发动机102的操作期间出现发动机爆震。众所周知，发动机爆震会导致发动机操作效率低下，原因是它涉及提供给气缸106的空气/燃料混合物的不受控制的燃烧，而且也会增加发动机部件的应力，从而增加磨损并减少部件的使用寿命。为了实现这一点，控制器118接收来自传感器的信号，所述信号指示发动机气缸内的气缸压力。基于发动机与发电机连接处存在的旋转或角度差异或变化间接地测量该气缸压力。

在图2和3中示出了通过发动机102的飞轮212与发电机114的连接端周围的发动机102的一部分的部分截面图。参照这些图，飞轮212通过联接毂206与发电机114的输入轴200连接。输入轴由轴承201支撑，因此它可以在发电机114的底盘、主体或定子内旋转。在其端部处，图示的实施例的输入轴200包括发电机输入法兰202，所述发电机输入法兰连接到音圈204和联接毂206，所述联接毂通常具有相当大的质量并且平滑发电机114的输入处的旋转振动。

联接毂206经由弹性元件208弹性地连接到发动机输出法兰210。发动机输出法兰210连接到飞轮212并由此旋转。飞轮212的旋转导致输出法兰210旋转，并且该旋转传递到经由弹性元件208连接到发电机输入轴200的联接毂206。在典型配置中，弹性元件208分段地包括可压缩或可拉伸的元件，所述元件可以在联接毂206周围弹性变形并由桨叶209保持在原位，所述桨叶在联接毂206和发动机输出法兰210之间相对于轴线108径向或垂直地延伸。在发动机操作期间，由特定气缸点火的动力爆发或另一气缸压缩时的动力消耗所产生的振动会在旋转或角方向上对弹性元件208造成连续的微拉伸和微压缩应力。弹性元件208还承担飞轮212和发电机输入轴200之间任何微小的轴向错位。在各种旋转部件(即，音圈204、飞轮联接毂206、弹性元件208、发动机输出法兰210以及在该实施方式和其他实施方式中可能存在于该区域的任何其他部件)的上方和周围放置保护盖214。

发动机102还包括在飞轮212的外部周围形成的定时齿轮，所述定时齿轮具有在飞轮212周围延伸的齿402(图2和7)。定时齿轮齿402激励安装在发动机102上的曲轴传感器或第一定时传感器406。尽管定时齿轮示出为安装在飞轮212上，但应当领会的是，它可以放置在发动机中的其他地方，例如，在凸轮轴上或当发动机操作时可以随着曲轴旋转而不滑动的另一结构上。在发动机操作期间，第一定时传感器406向控制器118提供信息，所述信息指示曲轴和飞轮212的位置和旋转速度，用于以典型的方式控制发动机操作。

在图3的放大详图中可以看出，音圈204可以通过使用间隔环302夹在发电机输入法兰202和联接毂206之间，在发电机输入轴200中形成的环形槽口304内，因此使音圈204能够作为改装件安装到现有发动机上，而不增加发电机输入轴200的端面216和飞轮212与发动机曲轴(未示出)的接口平面218之间的距离D。

在图4中示出了安装在发电机114上的音圈204的轮廓图。在该视图中，可以看到音圈204大体上为圆形，并且包括沿其外周区域404的多个齿401。保护盖214包括法兰407，所述法兰可安装到飞轮212的区域周围的发动机的气缸壳体上(图2)。托架408连接到法兰407并在其上支撑第二定时传感器410。第二定时传感器410设置成通过感测沿着音圈204设置的齿401的位置来测量音圈204的旋转，但重要的是，第二定时传感器410安装在发动机上，并且音圈204与弹性元件208相对地安装在联接毂206上，使得第二定时传感器410可以测量与发动机和飞轮212相比在发动机操作期间存在的弹性元件208的旋转变化。换句话说，通过在经由测量飞轮212上的齿402的第一定时传感器406的飞轮旋转的测量和经由测量音圈204上的齿401的第二定时传感器410的音圈204旋转的测量之间产生差异，弹性元件208这样或那样的任何旋转或角度偏转都会在音圈204中并因此在第二定时传感器410的读数中产生相应的影响。该测量的差异与弹性元件208的旋转或角度偏转成正比，这是由发动机气缸的各种燃烧冲程引起的发动机输出扭矩的变化导致的。换句话说，当飞轮212和音圈204之间没有旋转或角度偏转时，第一定时传感器406和第二定时传感器410的测量结果基本上是相同的。这两个测量结果将根据弹性元件的这样(压缩)或那样(拉伸)的旋转或角度偏转的方向而发生分歧(相对于彼此的提前或延迟)。

举例来说，如果在发动机和发电机之间有固体连接，即在飞轮212和发电机输入轴200之间没有使用弹性元件208，则发动机上的第一定时传感器406和第二定时传感器410的传感器读数将是相同的或应当是相同的。然而，由于存在弹性元件208，它们在发动机操作期间由连续的扭矩峰值或气缸操作造成的延迟所引起的微小旋转或角度压缩或拉伸将导致第一定时传感器406和第二定时传感器410之间的读数差异，第一定时传感器和第二定时传感器也可以称为发动机和发电机之间的挠性联接件的输入传感器(第一定时传感器406)和输出传感器(第二定时传感器410)。术语输入和输出在该上下文中指的是经由包括弹性元件208的挠性联接件从发动机提供给发电机的任何扭矩变化的输入和输出信号变化。

来自输入传感器406和输出传感器410两者的信号被提供给控制器118。控制器118监测来自输入传感器406的输入信号和来自输出传感器410的输出信号，计算两者之间的差异，并且基于输入和输出信号之间的差异计算或推断与发动机气缸内的测量同时存在的气缸压力。

更具体地，在图5中示出了在发动机102上操作的单个气缸的输入信号和输出信号之间随时间变化的差异的图。曲线500表示由输入传感器或第一定时传感器406提供的输入信号和由输出传感器或第二定时传感器410提供的输出信号之间的差异值。实质上，曲线500的竖直维度的大小指示弹性元件208在任何时间点的旋转或角度变形的程度，时间在水平轴上绘制。水平轴也代表弹性元件208的零偏转，因此曲线500在水平轴上方或下方的方向也指示弹性元件208的旋转或角度偏转的方向，其中正(在轴502上方)指示元件208的拉伸，而负(在轴502下方)指示元件208的压缩。如前所述，当动力或扭矩在气缸点火事件或冲程期间在倾向于加速飞轮212的旋转或角度方向上输入到曲轴时，发生元件208的旋转或角度拉伸，而当动力或扭矩在气缸压缩事件期间在倾向于减速飞轮的旋转或角度方向上从飞轮窃取时，发生元件208的旋转或角度压缩。

参照图5，示出单个气缸和两个连续动力冲程之间的时期的输入/输出传感器信号差异的轨迹。在点1处，气缸处于动力冲程期间的峰值气缸压力。段2表示在峰值压力之后的膨胀冲程期间的气缸压力降低。在段3处，气缸继续膨胀直到点4，然后在段5期间开始压缩废气，直到在点6处气缸排气阀打开。在段7期间废气被推出气缸，在点8处气缸处于上死点(TDC)，排气阀关闭，气缸在段99上消耗功，直到进气阀在点10处打开。空气或空气和燃料混合物在段11上被拉入气缸并消耗功，直到进气阀在点12处关闭并且压缩冲程在段13处开始。压缩冲程在段14上继续进行，燃烧开始在动力冲程期间增加气缸压力，这使元件208拉伸并将曲线500朝向正侧拉动，向曲轴提供功和扭矩，直到在第二个点1处达到峰值压力，循环重复。

已确定曲线500或代表第一和第二定时传感器406和410获得的测量结果之间的差异的参数是非常准确和可靠的气缸压力指标。该差异参数跟踪气缸压力以及置于气缸内的压力传感器，但不需要复杂的传感器技术，例如配置成在恶劣的气缸内环境中操作的压电传感器。通过使用第一和第二定时传感器406和410的输出可以进行可靠的气缸压力确定，一个传感器是通常在发动机上出现的曲轴传感器，另一传感器是置于发动机上并测量与弹性元件208相对放置的音圈的旋转的第二传感器。

在图6和7中提供的详图中示出了用于将第二定时传感器410放置在发动机上的示例性实施例的图示。在这些图中可以看出，托架408使用紧固件600沿着盖214安装到发动机气缸壳体上，使得托架408以及由此支撑的第二定时传感器410刚性地安装到发动机102上。音圈204刚性地安装在发电机114的输入轴200上，其齿401激励第二定时传感器410，使得与飞轮212上的齿402的相应读数激励第一定时传感器406时相比，第二定时传感器410的读数将受到弹性元件208的任何压缩或拉伸影响。盖板604放置在音圈204的暴露面之上。导体602可以接收来自第二定时传感器410的信号并将其传送到控制器118。

工业适用性

本公开适用于任何类型的内燃式发动机，所述内燃式发动机包括发动机输出轴和被驱动系统的输入轴之间的挠性联接件或连接部。在图8中提供了间接测量气缸压力的方法的流程图。根据实施例，在802处，在诸如发动机的驱动器和诸如发电机的被驱动部件之间设置挠性联接器。例如，挠性联接器可以包括任何类型的挠性联接器，包括置于可旋转法兰之间的弹性元件，所述弹性元件可以根据旋转法兰之间存在的扭矩变化进行压缩或拉伸。

在804处，将配置成感测驱动器部件的旋转的第一传感器安装在与驱动器部件或系统刚性相关联的联接器的一侧。在806处，将第二传感器安装在与系统的驱动器侧刚性相关联的联接器的相同侧。第二传感器也配置成感测安装在联接器的被驱动侧或跨过联接器的音圈的旋转，使得驱动器和被驱动部件之间的联接器的角位置的变化将影响第二传感器相对于第一传感器的测量。在808处计算第一和第二传感器信号之间的差异，并在810处基于差异的大小和方向推断联接器的旋转或角度偏转。在一个实施例中，驱动器是发动机，被驱动部件是传动装置或发电机，差异指示发动机中的气缸压力。

可以领会，在具有橡胶弹性联接件的示例性发动机设备中，测量的旋转或角度偏转可以为约10度。控制器可以编程为在每次启动时(例如当发动机没有承载明显的负载时)，校准传感器差异，以考虑系统中可能影响测量的各种差异，如温度、弹性元件风化产生的硬度等。如果适用的话，当发动机操作发生变化，例如由于燃料质量不一致，运行中的气缸压力指示点火需要延迟或提前时，通过在发动机操作期间测量气缸压力，控制器可以控制燃料和点火定时。通过以该方式测量气缸压力，还可以计算其他参数，如燃烧持续时间、气缸压力上升率、峰值压力、点火定时和其他参数，并将其用于优化发动机操作。

在具有20个气缸的发动机的一个实施例中，音圈204可以布置有183个齿。在这样的实施例中，控制器可以有效而准确地感测每个发动机转数的具体气缸点火次数，或测量每次点火约18个齿的位置的跟踪，这为推断所需的发动机操作和气缸点火参数提供了足够的分辨率。

可以领会，在本文所述的实施例中，两个传感器安装到挠性联接件的输入侧(发动机)并测量两个定时齿轮的定时信号，一个定时齿轮设置在挠性联接件的输入侧(发动机飞轮)，另一定时齿轮设置在挠性联接件的输出侧(音圈)。在替代实施例中，传感器也可以安装到挠性联接件的输出侧(发电机)。

应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可设想，本公开的其他实施方式可在细节上与前述示例不同。对本公开或其示例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定示例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。

除非本文另有指示，否则本文对值范围的叙述仅仅旨在用作分别提及落入所述范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值并入到说明书中，如同在本文中分别叙述一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。

Claims (11)

1.一种在驱动器和被驱动系统之间的驱动装置，其包括：

可旋转驱动器部件，所述可旋转驱动器部件具有与其相关联的第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器相对于所述可旋转驱动器部件刚性安装，所述第一传感器配置成提供指示所述可旋转驱动器部件的旋转的第一信号；

可旋转被驱动部件，其中所述第二传感器配置成提供指示所述可旋转被驱动部件的旋转的第二信号；

设置在所述可旋转驱动器部件和所述可旋转被驱动部件之间的挠性联接器；以及

设置成接收所述第一信号和所述第二信号的控制器，所述控制器配置成：

计算所述第一信号和所述第二信号之间的差异，以及

主要基于所述第一信号和所述第二信号之间的差异推断所述可旋转驱动器部件和所述可旋转被驱动部件之间的扭矩变化。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其中所述可旋转驱动器部件是内燃式发动机的部件，所述可旋转被驱动部件是发电机的输入轴，并且所述可旋转被驱动部件包括音圈，并且其中所述第二传感器配置成提供指示所述音圈的旋转的所述第二信号。

3.根据权利要求2所述的驱动装置，其中所述扭矩变化指示所述内燃式发动机的至少一个气缸内的压力。

4.根据权利要求1所述的驱动装置，其中所述可旋转驱动器部件是飞轮，所述飞轮具有与其相关联的定时齿轮。

5.根据权利要求1所述的驱动装置，其还包括连接到所述可旋转被驱动部件的音圈，其中所述第二传感器配置成测量所述音圈的旋转。

6.根据权利要求1所述的驱动装置，其中所述可旋转驱动器部件是内燃式发动机的飞轮，并且其中所述可旋转被驱动部件是电力发电机的输入轴。

7.根据权利要求1所述的驱动装置，其中所述第一信号和所述第二信号之间的差异指示作为所述挠性联接器的部分设置的弹性元件的拉伸或压缩。

8.一种发电机组，其包括根据前述权利要求中任一项所述的驱动装置、发动机和发电机，其中所述驱动装置设置在所述发动机的输出轴和所述发电机之间。

9.一种用于测量跨过设置在根据前述权利要求中任一项所述的驱动装置中的挠性联接器的扭矩变化的方法，所述方法包括：

在所述可旋转驱动器部件和所述可旋转被驱动部件之间提供所述挠性联接器，所述挠性联接器具有与所述可旋转驱动器部件连接的驱动器侧和与所述可旋转被驱动部件连接的被驱动侧；

使用所述第一传感器感测所述可旋转驱动器部件的旋转；

提供第一信号，所述第一信号指示使用所述第一传感器进行的感测；

使用所述第二传感器感测所述可旋转被驱动部件的旋转；

提供第二信号，所述第二信号指示使用所述第二传感器进行的感测；

使用控制器计算所述第一信号和所述第二信号之间的差异；以及

使用所述控制器基于所述第一信号和所述第二信号之间的差异推断跨过所述挠性联接器的扭矩变化。

10.根据权利要求9所述的方法，其还包括基于跨过所述挠性联接器的扭矩变化计算所述内燃式发动机的至少一个气缸中的气缸压力。

11.根据权利要求9所述的方法，其中推断所述扭矩变化还包括校准所述差异以考虑所述挠性联接器的弹性特性随时间或环境条件的变化。

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