CN1256399A - 测定内燃机气缸内运动副状态的方法与装置 - Google Patents

Abstract

提出了一种用以测定内燃机气缸(1)内一运动副状态的方法和装置,所述内燃机具有一个其上至少设有一活塞环(31)的活塞(3),该活塞被设置成能沿气缸(1)内气缸套(2)的运行表面(23)作往复移动。按照该方法借助于一设置于气缸(1)内的超声波传感器(5),该运动副(23,31)受超声波信号冲击,由运动副(23,31)反射的回声信号被用于测定运动副(23,31)的状态。

Description

测定内燃机气缸内运动付状态的方法与装置

本发明涉及内燃机气缸内运动付状态的方法与装置。

在内燃机中，尤其在诸如用于船舶驱动机组或固定电站中的大型柴油机中，气缸内的运动付经受自然磨损。运动付是指在活塞冲程运动期间气缸内彼此滑过的那些部件，即尤其是气缸套的运行表面，活塞在运转状态下沿该运行表面运动，活塞环在正常状态下在该运行表面上滑动，而在该运行表面上通常形成润滑油膜。气缸套和活塞环的磨损受不同参数的影响，诸如所用燃料(在大型柴油机中通常为重油)，所用润滑油及发动机的负荷分布。因此，不管用什么方式，仅用理论上或通过试验数据来估计是有困难的。

此外，在发动机运转期间能引起异常高的磨损值，从而导致随后严重和代价高的损坏。因此，在内燃机运转期间希望监测活塞运动状态，特别是运动付的状态，即可说是不停产监测，以便例如当出现异常高的磨损时能及时采取对策，以避免更大的随后损坏。

对于大型柴油机，已知各种利用感应测量原理在运转期间测定活塞环磨损状态的装置。例如在EP-A-706039中公开了一种设置在气缸套内的监测磨损用的采样装置。该装置包括一条磁路和一条电路，两者偶合在一起。要被监测的活塞环由磁性材料制成，有一非磁性材料的插入物，当沿径向看时它缩短。在活塞冲程运动期间，该活塞通过该采样装置，在采样装置内感应一电压，该电压作为测量信号被测量。该测量信号经非磁性插入物被变换。由于该插入物沿径向缩短，由它产生的信号变换是活塞环磨损的度量。

即使在实践中已证明了这类装置的价值，然而它们还有一些限制。由于非磁性插入物的存在，该活塞环须特别地装备。此外，目前所知几种颇抗磨的活塞环材料均不适合与这类感应采样装置配合。而且，至少用这类已知的装置根本不可能得到关于运行表面状态的直接结果。

关于这点，本发明希望提供一种补救。因此，本发明的目的是要提出这样一种方法与装置，借助于它们，在运转期间能测定内燃机气缸内运动付的状态，即尤其是该运行表面和活塞环的状态。尤其是在发动机运转时，本发明能测定该运行表面和活塞环的磨损。

从该装置和方法的观点看满足这些目的的本发明主题是以相应类别的独立权利要求的特点为其特征的。

因此，按照本发明，提出了一种测定内燃机气缸中运动付状态的方法与装置，所述内燃机有一活塞被配制成能沿气缸内气缸套的运行表面往返移动，该活塞装有至少一个活塞环。按照该方法，借助于设置在气缸内的超声波传感器用超声波信号冲击该运动付，而利用由该运动付反射的回声信号来测定该运动付的状态。该装置包括一个超声波传感器，以这样方式将其设置在气缸内，使其能用超声波信号撞冲该运动付，并接收由该运动付反射的回声信号。

因此，本发明基于利用超声波测定内燃机气缸内运动付状态的思想。

为此，这些运动付，尤其是该运行表面和/或活塞环经受超声波信号的冲击。这些超声波信号在具有不同声波阻力的介质之间的过渡区的界面处，例如在气缸的运行面处和在活塞环面处，被部分地反射和部分地传输。这些被反射的信号作为回声信号返回到超声波传感器，该传感器将这些回声信号转换成电信号。根据声波的传播时间，或相应地根据各别回声信号之间的传播时差，能测定诸如气缸套当前厚度或活塞环当前厚度的参数。利用这一方法，能以简单的方式测定在内燃机运转期间该运行表面和活塞环的状态，尤其是它们的磨损。其优点尤其在于分别用本发明的方法和装置来测定这些运动付的状态无需它们特殊的结构。该方法和装置对于各种内燃机，尤其是对于按二冲程或四冲程原理工作并例如以重油、柴油或天然气作为燃料的各种大型柴油机是普遍适用的。本发明适于测定所有本身已知的活塞环的状态，尤其还适于等离子喷涂或电镀的活塞环，本发明对涂层活塞环产生另外的优点，即也能测定涂层的厚度。

在本发明的方法中，最好将回声信号输送到一测算单元，后者在回声信号基础上测定至少下到参数中一个的代表值：

气缸套的绝对和/或相对磨损；

一个或几个活塞环沿相对于气缸轴线径向的厚度；

活塞环涂层的径向厚度；

在活塞环和运行表面之间空气间隙的径向厚度；

在活塞环和运行表面之间油膜的径向厚度。

在一个优先的实施例中，产生一个用以补偿由热造成的变化的参照信号，并用以测定该运动付的状态。通过上述措施，考虑了内燃机通常在不同的转速和负荷变化的情况下运转的，因而气缸内的温度是波动的。借助于该参照信号，能补偿该测量信号中由热引起的变化，这意味着在参照信号的基础上能标订测量信号。因此，该装置最好包括产生这种参照信号的装置。按照该实施例，用以产生一参照信号的这些装置包括另一个超声传感器，它以这样方式被配置，使它在一个区域内用超声波信号冲击气缸套的径向内部边界面，该区域处在该活塞冲程运动期间由这些活塞环刷过的区域之外。由于该区域并不经受活塞环运动的磨损，因此在该区域内用超声波测定的壁厚能用作补偿温度波动的参照信号。

该超声波传感器最好配置在气缸套的一切口内，它以这样方式被安置，使所有的活塞环在该活塞冲程运动期间通过该超声波传感器。在该结构中，各超声波信号首先通过气缸套壁的一部分，在该运行表面上被部分反射，而穿透部分被输入，取决于该活塞位置，活塞环或该运行表面和活塞之间的气隙。这样，在活塞冲程运动期间所有的活塞环都能被超声波连续地取样。

装有超声波传感器的切口最好被配置在气缸套的凸缘内，这就是说，在活塞运动的下止点附近。在这里，活塞速度较低，因此有充分的时间对各活塞环采样。

当该切口沿径向延伸时且在超声波传感器和切口的径向内部边界面之间设置一连接件，以便使超声波信号自该超声波传感器传到该运行表面上是有利的。借助于这一措施，将超声波传感器配置在远离气缸套的最热区域，从而避免热损的危险或转换器的故障。

本发明的方法和装置尤其适于大型柴油机，例如船舶主机。

本发明的其它有利措施和优选实施例由从属权利要求产生。

下面参照示例性实施例和附图，就该装置和方法两个方面更详细地说明本发明。

图1以部分简图部分剖视图表示在内燃机气缸套中本发明装置的一个示例性实施例。

图1以纵剖视图表示大型柴油机的气缸1的剖面，装有用以测定运动付状态的本发明的装置。气缸1的气缸轴线以标记A代表。垂直于气缸轴线A的方向在下文中被指定为径向。

气缸1包括一气缸套2，其径向内部界面构成活塞3的运行面，活塞3被配置成能在气缸1内来回移动。活塞3的运动方向由双箭头B表示。以实线画出的运动面23代表气缸2的初始状态，即还没有出现磨损的状态。虚线23a表示由于活塞3和运动表面23a之间的相对运动运行表面已产生磨损的状态，它已导致气缸套2缸壁厚度的减薄。气缸套2以本身已知的方式包括一个被设计成厚壁的突缘21和一个被设计成薄壁的裙部22。

图1表示活塞3处于上止点。按照图示，气缸1的燃烧室4处在活塞3的上方。在活塞3上没有4个在运转状态下沿运行表面23滑动的活塞环31。这些活塞环31对运行表面23施以偏压，即使由于磨损的结果在气缸套2的壁厚2减薄后，如虚线23a所示，也使它们与后者成密封接触。这些活塞环以本身已知的方式在其径向外部界面上可有一涂层31a，如图1中最上部活塞环31所示。该涂层31在初始状态下例如为0.1至0.3毫米厚度。一润滑油膜处在运行表面23和活塞环31之间的运行表面23上。

由于术语运动付是指在正常运转中彼此相互移动和彼此滑过的部件，因此，在本示例性实施例中，运行表面23和活塞环31包含处在它们之间的油膜。

在气缸套2的突缘21内设有切口7，它开始于气缸套2的外侧，并自那里沿径向，即垂直于气缸轴线A，向内延伸，直到界面71。径向内部界面71处在离运行表面23一距离R处(相对于气缸套2的初始状态而言)。出于实用的理由，该距离R最好达到至少1厘米。一杆形连接件6装入切口7内，其一端面与界面71接触。连接件6的另一端面与一同样安装在该切口7内的超声波传感器相接触。借助一紧固件，在这里被用作螺纹连接件8，将连接件6和超声波传感器5装入切口7内。螺纹连接件8与设置在切口7内的能从气缸套外侧拧紧的螺纹相配合。在螺纹连接件8和超声波传感器5之间设有一弹簧件9，它使超声波传感器5对连接件6施偏压，两者对界面71施偏压。通过该弹簧件9，电热引起的切口7的变化尤其能得到补偿，不使超声波传感器5和连接件6之间以及连接件6和界面71之间失去接触。

螺纹连接件8有一沿径向延伸的通道，连接超声波被传感器5的电线10穿过该通道通至测算单元11。用来操作超声波传感器5的在图1中未单独图示的电源装置，例如可与测算单元11形成整体。

连接件6包括这样一种材料，这种材料能很好地产生超声波，并分别将由超声波传感器5发出的超声波信号传送到运行表面上，而将回声信号传送到超声波传感器5上。通过该连接件6，超声波传感器5进一步远离气缸套2的最热区域，从而暴露于不高的温度下，因此，超声波传感器5不再有任何热故障或因热引起的功能失常。

切口7以这样方式设置在气缸套2的突缘21内，使所有的活塞环31在活塞冲程运动期间都分别通过超声波传感器5或其测量区，这意味着当活塞3如图1所示处在其上止点时，切口7是在图示中相对于轴向(气缸轴线A方向)最低活塞环31的下方。

呈另一超声波传感器5a的形式的参照信号发生器5a在该示例性实施例中被构成产生一参照信号的装置。后者以类似于超声波5的方式用一螺纹连接8a和一弹簧件9a安装于突缘21内的切口7a中，并以声导方式经一杆形连接件6a连于切口7a的径向内部界面71a。参照信号发生器5a经一电线10a连于测算单元11。

参照信号发生器5a的切口7a相对于轴向被这样设置于突缘21内，当活塞3处在其上止点时，使它仍然处在最上活塞环31的上方。这样，被设计成一超声传感器的参照信号发生器5a冲击气缸套2的径向内部界面区域，该区域在活塞冲程运动期间没有被活塞环31刷过，因此，在活塞环沿运行表面23的整个滑动期间没有经受磨损。由于这一原因，在切口7a的界面71a和缸套2的径向内部界面之间的径向壁厚，在本实施例中它恰好与距离R一样厚并能用超声波传感器5a测定，可被用作补偿由热引起的变化的参照信号。

下面将说明图1所示示例性实施例的操作方法。在内燃机运转期间，超声波传感器5以超声波脉冲形式放出超声波信号，该超声波脉冲频率被这样选定，使得在活塞3的冲程运动期间每一活塞环31受至少一个单独的超声波脉冲的冲击。用目前已知的超声波测量装置，可以实现例如每秒2000次测量的频率。此外，由于在上止点区域内活塞3的速度相当低，因此，这种频率颇足以用超声波脉冲来对每一单独的活塞环31进行采样。

由超声波传感器5发出的超声波脉冲经连接件6并沿径向、即沿朝向气缸轴线A的方向行进。这样，按照活塞的瞬时位置，它通过具有不同声波阻力的介质之间的数层界面，例如：运行表面23和油膜之间的界面；油膜和活塞环31之间的界面(若活塞环31碰巧处在超声波传感器5的测量范围内，即处在与切口7相同的轴向高度)，或油膜和空气之间的界面(若该测量值，例如碰巧处在两活塞环31之间)；活塞环31的涂层31a(若有的话)和活塞环31之间的界面；活塞环的径向内部界面316和在它后面的空间的界面。

在这些界面处，超声波脉冲部分被反射，产生回声信号，而部分穿透这些界面。这样，由一个超声波信号能产生若干回声信号，它们产生于不同界面，从而具有不同的行进时间。这些回声经连接件6达到超声波传感器5，并由后者转换成电信号，它们作为测量信号经电线10被传输到测算单元11，供处理和评估。根据这些回声信号的行进时间和/或由同一超声波脉冲产生的一些回声信号间的行进时间差，可测定相应于气缸1中当前尺寸的不同距离，从而能用于测定运动付的状态。利用目前已知的超声波传感器，能测定小于0.01毫米的层厚。这样，测算单元11能一一测定下列尺寸：切口7的界面71和运行表面23或23a各自之间的气缸套2的壁厚D1；活塞环31和运行表面23或23a各自之间的相对或绝对油膜厚度；活塞环31的涂层31a的径向厚度D3；各活塞环31的径向厚度D2。

相应于切口7a的界面71a和气缸2的径向内部界面之间的气缸套2的壁厚的距离R，以类似的方式，借助于作为参照信号发生器的超声波传感器5被测定为参照信号。由于已知距离R是相对于正常温度的，因此该参照信号能用于标订这些测量信号，尤其是补偿由热引起的波动。

借助于本文所述的装置，在内燃机运转期间，例如通过当前的距离值R和当前的壁厚值D1的比较，能测定和监测该运行表面的相对或相对磨损。此外，各别活塞环31的磨损，或各活塞环31的涂层31a的磨损能分别根据当前的厚度值D2或D3来测定。

除了磨损测定外，还能根据测量信号分别检验或监测活塞环31的工作能力。例如一个活塞环31若已失去其张力或因其它原因不再密封地处于运行表面23上，则在活塞环31和运行表面23之间会出现一气隙，后者能根据测量信号被检测到。活塞环的漏气和活塞环锁定的位置也能根据测量信号加以测定。此外，油膜在运行表面23，23a上的状态也能根据测量信号加以测定。

自然，本发明的一些实施例也可为每一气缸套提供若干超声波信号以测定运动付的状态。此时这些超声波传感器分布在气缸套2的周围，而在所有情况下例如以类似于上述方式自外侧将其装入气缸套2。

也可提供不同于本文所述的作为超声波传感器5a的其它的装置来产生参照信号。尤其是这些装置也能被结合到用以产生测量信号的超声波传感器5内。最好将不因磨损而变化的当前的一个尺寸值用作参照信号。

测算单元最好一一完成下列功能：

例如根据发动机运转小时不时地测定气缸套2的运行表面23，23a在规定时间外。

不时地测定各活塞环31或各涂层31a各自的磨损尺寸和/或绝对厚度D2、D3。

检验各活塞环1是否与运行表面23，23a相接触；

检测磨损状态是否产生变化；

监测气缸套2和/或活塞环31的磨损是否超过某个规定的阈值。

当一活塞环31折断或当活塞环31不再具有偏压张力或当因任何其它原因一活塞已不和运行表面23、23a接触或不再相应密封或当全部或全部失去从一活塞环31上正在涂层31a或当气缸套2和/或一活塞环31或一涂层31a各自的磨损或磨损率分别超过某一预定的阈值时，测算单元11最好接发一警告信号。

实践中，常常碰到活塞环31沿其圆周并不均匀磨损。在此情况下，测算单元能产生一个有代表性的平均磨损值。

此外，根据所测信号可测定运动付未来磨损的趋势，以便例如估计预期的更换时间。

很清楚，在内燃机中，尤其是在具有一个气缸以上的大型柴油机中，在每一气缸上可设有至少一个超声波传感器5，以测定各气缸运动付的状态。这样，便能将若干或所有的超声波传感器5连接到一个公用的测算单元11或一公用的电源和测算单元上。借助于一测点开关该公用单元能周期地逐一测量各气缸，并还可处理、评估和储存相应的被测信号。

通过本发明，提供了分别用于测定内燃机气缸内一个或多个运动付状态的装置与方法，借助于它们，能一一测定内燃机运转期间运行表面和活塞环的磨损以及各别活塞环的工作能力。

Claims (13)

1.用于测定内燃机气缸(1)内运动付状态的方法，该内燃机具有一个其上至少装有一个活塞环(31)的活塞(3)，该活塞被配置成可沿气缸(1)的气缸套(2)的运行表面(23)往复移动，在所述方法中，借助于一设置在气缸(1)内的超声波传感器(5)用超声波信号冲击该运动付(23，31)，而由该运动付(23，31)反射的回声信号被用来测定运动付(23，31)的状态。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于该超声波信号是作为超声波脉冲以某一频率发生的，其频率要选得使在活塞(3)的冲程运动期间每一活塞环(31)至少受一个单独的超声波脉冲的冲击。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于将回声信号传输给一测算单元(11)，后者根据回声信号测定下列参数中至少一个的代表值：

气缸套(2)的绝对和/或相对磨损；

一个活塞环(31)或一些活塞环(31)沿相对于气缸轴线(A)的径向的厚度(D2)；

在活塞环上形成的涂层(31a)的径向厚度，

活塞环(31)和运行表面(23)之间气隙的径向宽度；

活塞环(31)和运行表面(23)之间的油膜的径向厚度。

4.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于产生一个用以补偿由热引起变化的参照信号，用于测定运动付(23，31)的状态。

5.按上所述任一权利要求所述的方法，其特征在于测定运动付(23，31)的磨损趋势。

6.用以测定内燃机气缸(1)内一运动付状态的装置，该内燃机具有一个其上设有至少一个活塞环(31)的活塞(3)，该活塞被配置成可沿气缸(1)内的气缸套(2)运行表面(23)往复移动，所述装置包括一个以这样方式设置在气缸(1)内的超声波传感器(5)，使它以超声波信号冲击该运动付(23，31)，并接收由该运动付(23，31)反射的回声信号。

7.按权利要求6所述的装置，其特征在于将超声波传感器(5)安装在设在气缸套(2)内的一切口(7)内，它被这样配置，使在活塞(3)的冲程运动期间所有的活塞环(31)都通过该超声波传感器。

8.按权利要求7所述的装置，其特征在于将装有超声波传感器(5)的切口(7)设在气缸套(2)的突缘(21)内。

9.按权利要求7或8所述的装置，其特征在于，切口(7)沿径向延伸，在超声波传感器(5)的切口(7)的径向内部界面(71)之间设有一连接件(6)，以便将超声波信号自超声波传感器(5)传输到运行面(23)。

10.按权利要求6至9之一所述的装置，其特征在于，包括用以产生一参照信号以补偿由热引起的变化的装置。

11.按权利要求10所述的装置，其特征在于，用以产生一参照信号的装置包括另一超声波传感器(5a)，它以这样方式配置，使气缸套(2)的径向内部界面受一个区域内的超声波信号冲击，该区域处于在活塞(3)的冲程运动期间被活塞环(31)刷过的区域外侧。

12.包含按权利要求6至11之一所述的装置的内燃机，尤其是一大型柴油机。

13.用以测定内燃机气缸(1)内一运动付(23，31)的状态的超声波应用。

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