CN201714489U

CN201714489U - 一种内燃机在线监测诊断装置

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Publication number: CN201714489U
Application number: CN2010202600708U
Authority: CN
Inventors: 王汝钢
Original assignee: Pite Tech Inc
Current assignee: Pite Tech Inc
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-07-15

Abstract

本实用新型涉及一种内燃机在线监测诊断装置，包括用于对内燃机的工作状态信号进行采集的检测单元、用于将所述检测单元采集的信号进行数字化转化的处理单元、用于根据数字化的内燃机工作状态信号计算出异常值并根据异常值的大小输出报警信号及存储指令的分析单元，其中所述检测单元、处理单元和分析单元依次连接，所述检测单元安装于内燃机的组件上。本实用新型通过检测内燃机工作状态信号，实现对往复活塞式多缸内燃机进行全面地在线监测和故障诊断。

Description

一种内燃机在线监测诊断装置

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，特别涉及一种通过检测瞬时转速信号、上止点信号、增压器空气压力信号、排气总管温度信号实现对往复活塞式多缸内燃机工作状态进行在线监测和故障诊断的装置。

背景技术

内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世。目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机，在国民经济中占有相当重要的地位。往复活塞式内燃机更是成为了当今用量最大、用途最广的最重要的热能机械。

往复活塞式内燃机的种类很多，按所用的燃料的不同，分为汽油机、柴油机、煤油机、煤气机(包括各种气体燃料内燃机)等；按每个工作循环的行程数不同，分为四冲程和二冲程；按着火方式不同，分为点燃式和压燃式；按冷却方式不同，分为水冷式和风冷式；按气缸排列形式不同，分为直列式、V型、对置式、星型等；按气缸数不同，分为单缸内燃机和多缸内燃机等；按内燃机的用途不同，分为汽车用、农用、机车用、船用以及固定用等等。

由于受当前技术诊断水平的制约，目前我国内燃机监测主要集中于润滑、冷却等辅助系统，而对内燃机的关键部分气缸和增压器却没有很好的监测手段，特别是大型多缸内燃机，个别气缸工作状态异常甚至不工作，增压器工作状况异常，故障隐患长期得不到发现，使整机工作效率降低，机破事故时有发生，严重地影响了设备的安全运行，造成了巨大的损失。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述内燃机诊断技术无法对内燃机进行全面监测和诊断的问题，提供一种对往复活塞式多缸内燃机工作状态进行在线监测和故障诊断的装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种内燃机在线监测诊断装置，包括用于对内燃机的工作状态信号进行实时采集的检测单元、用于将所述检测单元采集的信号进行数字化转化的处理单元、用于根据数字化的内燃机工作状态信号计算出异常值并根据异常值的大小输出报警信号及存储指令的分析单元，其中所述检测单元、处理单元和分析单元依次连接，所述检测单元安装于内燃机的组件上。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，所述检测单元包括对内燃机曲轴瞬时转速信号进行采集的曲轴瞬时转速磁电式传感器以及对内燃机上止点信号进行采集的上止点磁电式传感器，所述曲轴瞬时转速磁电式传感器安装于内燃机曲轴盘车齿轮侧面，所述上止点磁电式传感器安装于内燃机凸轮轴侧面。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，所述检测单元包括对内燃机增压器空气压力信号进行采集的增压器空气压力传感器，所述增压器空气压力传感器安装于内燃机增压器的进气管管壁上。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，所述检测单元包括对内燃机排气总管温度信号进行检测的排气总管温度传感器，所述排气总管温度传感器安装于内燃机排气总管管壁上。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，所述处理单元包括分别对传感器信号进行滤波的滤波子单元、对滤波信号进行放大处理的放大子单元、对经滤波放大处理后的检测信号进行高速同步采样转换成数字信号的高速同步A/D转换器，所述滤波子单元、放大子单元和高速同步A/D转换器依次连接。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，所述分析单元采用双CPU结构，包括根据数字化的内燃机工作状态信号计算出异常值的从CPU和根据从CPU计算结果分析异常的严重程度产生报警信号并产生存储指令的主CPU。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，还包括分别根据所述主CPU的存储指令和报警信号对检测信号和故障进行存储和报警的存储单元和报警单元，所述存储单元和报警单元分别连接到分析单元。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，还设有输入输出单元和复位单元，其中所述输入输出单元为显示器件、按键及打印器件，所述输入输出单元和复位单元分别连接到分析单元。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，还设有将分析单元产生的异常值发送出去的通信单元，所述通信单元连接到分析单元。

在本实用新型所述的内燃机在线监测诊断装置中，还包括供电单元，所述供电单元包括电池及电源转换器件。

实施本实用新型的内燃机在线诊断装置具有以下有益效果：通过检测内燃机工作状态信号，实现对往复活塞式多缸内燃机进行在线监测和故障诊断。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的内燃机在线监测诊断装置实施例的逻辑框图；

图2是图1中内燃机在线监测诊断装置实施例的电路原理框图；

图3是图2实施例各气缸均匀工作时作用在曲轴上的瞬时扭矩随曲轴转角变化曲线图；

图4是图2实施例各气缸均匀工作时曲轴瞬时转速随曲轴转角变化曲线图。

具体实施方式

本实用新型的内燃机在线监测诊断装置通过安装在内燃机各个组件上的传感器实时采集内燃机的工作状态信号，并对这些工作状态信号分析计算出异常状态进行报警和记录，从而实现了对内燃机的在线监测诊断。

如图1所示，是本实用新型的内燃机在线诊断装置的实施例的逻辑框图。在本实施例中，该内燃机在线监测诊断装置包含依次连接的检测单元200、处理单元300和分析单元400，其中，检测单元200安装于内燃机的一个或多个组件上并用于实时采集内燃机工作状态信号(例如曲轴瞬时转速信号、上止点信号、增压器空气压力信号、排气总管温度信号中的一个或多个)；处理单元300用于对检测单元200采集的信号进行滤波、放大及高速同步采样转换成数字信号；分析单元400用于根据数字化的内燃机工作状态信号采用数字滤波、FFT变换、小波分析，计算出异常值，并根据异常值的大小控制报警及记录。

处理单元300包括分别对检测单元200采集的信号进行滤波放大的滤波放大子单元(具体包括滤波子单元和放大子单元)以及对经滤波放大处理后的信号进行高速同步采样转换成数字信号的高速同步A/D转换器305。优选地，高速同步A/D转换器305优选美国德州仪器公司的采样频率为6MHZ的12位并行AD转换器THS1026。

在该内燃机在线监测诊断装置中，分析单元400是装置的核心。如图2所示，上述分析单元400可由从CPU 402和主CPU401组成，其中，从CPU402采用TI公司DSP芯片TMS302C5402，完成数字信号的运算、分析、处理等任务，其与处理单元300连接；主CPU 401可采用NXP半导体公司(NXPSemiconductors，由飞利浦创建的独立半导体公司)的ARM7TDMI-S为内核的微控制器LPC2478，完成控制、存储、显示、通信、报警等任务；主CPU 401与从CPU 402相连并进行数据交换；从CPU 402的计算结果传送给主CPU 401后，主CPU再分别将数据传送给存贮单元600、输入输出单元700、通信单元800等。

往复活塞式内燃机的组成部分主要有气缸、活塞组、曲轴及曲柄连杆机构、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置、增压器、机体等部分组成。根据往复活塞式多缸内燃机的动力学模型，有如下扭矩平衡方程：

其中

为曲轴转角，ω为曲轴角速度，J为整个运动部分的有效集中转动惯量；Tp

为所有气缸总的气体力扭矩，Tr

为总的往复惯性扭矩，T_l 为总的阻力扭矩。

正常情况下，内燃机各气缸工作状态是均匀的，在内燃机一个工作周期内(720°转角)，各气缸作用在曲轴上的扭矩是均匀波动的，如图3所示。相应地，曲轴的瞬时转速也是均匀波动的，如图4所示。如果某气缸出现工作异常，则在该气缸爆发做功对应的曲轴转角处该气缸作用在曲轴上的气体力扭矩会不同于其他气缸，相应地，在该气缸爆发做功对应的曲轴转角处曲轴瞬时转速波动也会不同于其他气缸，该气缸工作异常越严重，在该气缸爆发做功对应的曲轴转角处曲轴瞬时转速波动不同于其他气缸越明显。

因此可以通过检测曲轴瞬时转速及上止点信号(上止点信号用于确定各气缸瞬时转速对应的曲轴转角以及计算曲轴的平均转速)，运用数字信号分析处理方法，可以分析诊断出往复活塞式多缸内燃机气缸的工作异常及异常的严重程度，确定工作异常的气缸号。在本实用新型的一个实施例中，图1中的检测单元200包括对内燃机曲轴瞬时转速信号进行采集的曲轴瞬时转速磁电式传感器201以及对上止点信号进行采集的上止点磁电式传感器202。

其中曲轴瞬时转速磁电式传感器201安装于曲轴盘车齿轮侧面，当齿轮旋转时，齿轮的齿顶与齿谷所产生的磁场变化使得传感元件的磁阻抗也跟着变化，曲轴瞬时转速磁电式传感器201相应会产生一个电压波形序列。例如，16V240ZB为16缸内燃机车柴油机，盘车齿轮有102个齿，一个工作周期曲轴旋转720°，曲轴瞬时转速磁电式传感器201将产生204个波，因此和曲轴相连的盘车齿轮旋转时，每当一个齿经过曲轴瞬时转速磁电式传感器201时，该曲轴瞬时转速磁电式传感器201会产生一个脉冲波形信号。该信号经滤波放大子单元301滤波放大后，经高速同步A/D转换器305转换为数字信号送入分析单元的从CPU 402，从CPU 402首先对采样的脉冲波形信号进行计算，以其中心位置时刻作为该齿的时刻，记为t₁。同样地，第二个齿经过曲轴瞬时转速磁电式传感器201时，从CPU 402会得到第二个齿的时刻，记为t₂。令：Δt₁＝t₂-t₁(单位：秒)

则该两个齿经过磁电式瞬时转速信号传感器期间的曲轴平均转速为：

ω＝2π/(Z·Δt₁)(角速度，单位：弧度/秒)

式中Z为盘车齿轮的齿数。实际应用中，以此计算出的ω值近似为该两齿中心位置处曲轴的瞬时转速。

同样，内燃机凸轮轴上安装有感应器，相当于只有一个齿的齿轮，在其侧面安装有上止点磁电式传感器202。凸轮轴旋转时，安装在凸轮轴上的感应器经过检测单元的上止点磁电式信号传感器202时，该上止点磁电式信号传感器202也会产生一个脉冲波形信号。该信号经处理单元的滤波放大子单元302滤波放大后，经高速同步A/D转换器305转换为数字信号送入分析单元的从CPU 402，从CPU 402首先对采样的脉冲波形信号进行计算，以其中心位置时刻作为该齿的时刻，记为t₃。同样，当安装在凸轮轴上的感应器再次经过检测单元的磁电式上止点信号传感器时，DSP又会得到其中心位置时刻，记为t₄。

令：Δt₂＝t₄-t₃(单位：秒)

则内燃机曲轴旋转一周的平均转速为：n＝60/Δt₂(单位：转/分)

从CPU 402以t₃为基准，对曲轴瞬时转速的相位进行标定，记为：

并以此绘制曲轴瞬时转速随曲轴转角变化曲线，如图4所示。对于四冲程内燃机，周期为720°，对于两冲程内燃机，周期为360°。由于内燃机结构设计确定后，各气缸的相位也就完全确定了，因此在该曲轴瞬时转速随曲轴转角变化曲线图上可以划分为多个区段，区分出各个气缸爆发做功。

从CPU 402对该曲线采用小波分析及快速付利叶变换，可以得到瞬时转速频谱图，以基波频率下瞬时转速信号的幅值为异常值，对于四冲程内燃机，基波频率f＝n/2(单位：min^-1)，对于两冲程内燃机，基波频率f＝n(单位：min^-1)，以该异常值作为内燃机气缸工作状态异常的判断依据，确定内燃机气缸状态是否异常及异常的严重程度。

当诊断出气缸工作状态异常时，从CPU 402根据瞬时转速随曲轴转角变化曲线进一步诊断出工作状态异常的气缸号并将数据传送给主CPU401进行报警处理和记录。

此外，增压器是内燃机重要部件，其工作状态直接影响内燃机的工作效率。增压器空气压力是反映增压器工作状态的重要技术参数，通过对该参数以及对应的曲轴的平均转速(反映内燃机负荷大小)的检测，可以分析诊断增压器的工作状态。另外从绘制的增压器空气压力随曲轴转角变化曲线上，也可以诊断出各个气缸的工作状态。因此在本实用新型的另一实施例中，检测单元200还可包括对增压器空气压力信号进行采集的增压器空气压力传感器203，增压器空气压力传感器203采集的信号经滤波放大子单元303的滤波放大处理及高速同步A/D转换器305转换为数字信号后送入分析单元400，分析单元400据此分析诊断增压器的工作状态，并且根据绘制的增压器空气压力随曲轴转角变化曲线，分析诊断内燃机各个气缸的工作状态。

排气温度也是反映内燃机工作状态的重要参数，通过对该参数以及对应的曲轴的平均转速(反映内燃机负荷大小)的检测，并从绘制的排气温度随曲轴转角变化曲线上，也可以诊断出各个气缸的配气系统、燃油喷射系统工作状态。因此在本实用新型的另一实施例中，检测单元200还可包括对排气总管的温度信号进行采集的排气总管温度传感器204，排气总管温度传感器204采集的信号经滤波放大子单元304的滤波放大处理及高速同步A/D转换器305转换为数字信号后送入分析单元400，分析诊断内燃机各个气缸的配气系统、燃油喷射系统工作状态。

上述装置还可包括连接到分析单元400的存贮单元600，存贮单元600可为SRAM、FLASH、EEPROM，用于存贮程序、设置参数、测试数据、报警时的数据。

上述装置还可包括连接到分析单元400的输入输出单元700，输入输出单元700可为LCD、指示灯、打打印器件以及按键等，实现数据、状态的显示及参数的设置和修改。

上述装置还可包括连接到分析单元400的复位单元500，复位单元500可以以控制芯片(MAX706)为核心，包括看门狗、上电复位、掉电复位、手动复位，使设备适应复杂的现场电磁干扰环境。

上述装置还可包括连接到分析单元400的通信单元800，通信单元800可为RS232/485、USB中的一种或几种，可以和计算机、U盘等设备进行通信，实现数据交换及进行设备程序更新。

上述装置还可包括连接到分析单元400的报警单元900，报警单元900为喇叭等器件，当所述装置检测到内燃机工作状态异常时，进行报警，同时将报警数据在LCD上显示，提醒操作人员注意，并且将报警数据进行存贮。

上述装置还可包括供电单元910，供电单元910包括交直流电源输入、电池以及电源管理系统，确保宽范围电压变化情况下为其他各单元提供稳定可靠的供电。

和传统的方法相比，上述内燃机在线监测诊断装置具有明显的优点：

(1)可以实现对往复活塞式多缸内燃机的关键部件气缸和增压器的在线监测和故障诊断，当内燃机工作状态异常，如果某气缸工作状况异常，或增压器工作状况异常时，该装置可以准确地分析诊断出故障位置及故障的严重程度，立即输出报警信号，在显示屏上对故障进行显示，例如某气缸工作状态异常，同时对故障时的监测数据进行存贮记录。

(2)可以及时发现诊断出内燃机存在的故障隐患，提示有关部门采取措施进行处理，有效地防止重大事故的发生。

(3)可以实现对重要设备如铁路机车、远洋船舶、舰艇、坦克及特大型工程机械上的内燃机的在线监测和故障诊断，对设备出现的故障隐患提前预警，保障设备安全运行。

(4)利用所述装置的通信功能，可以组建内燃机工作状态远程监测网，建立数据库及专家系统，实现对内燃机各种疑难问题的远程诊断，并指导维修工作。

(5)实现内燃机由定期检修到状态检测的转变，显著地提高了我国大型动力机械设备的现代化管理水平和维护水平。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，包括用于对内燃机的工作状态信号进行实时采集的检测单元、用于将所述检测单元采集的信号进行数字化转化的处理单元、用于根据数字化的内燃机工作状态信号计算出异常值并根据异常值的大小输出报警信号及存储指令的分析单元，其中所述检测单元、处理单元和分析单元依次连接，所述检测单元安装于内燃机的组件上。

2.根据权利要求1所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，所述检测单元包括对内燃机曲轴瞬时转速信号进行采集的曲轴瞬时转速磁电式传感器以及对内燃机上止点信号进行采集的上止点磁电式传感器，所述曲轴瞬时转速磁电式传感器安装于内燃机曲轴盘车齿轮侧面，所述上止点磁电式传感器安装于内燃机凸轮轴侧面。

3.根据权利要求2所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，所述检测单元包括对内燃机增压器空气压力信号进行采集的增压器空气压力传感器，所述增压器空气压力传感器安装于内燃机增压器的进气管管壁上。

4.根据权利要求2所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，所述检测单元包括对内燃机排气总管温度信号进行检测的排气总管温度传感器，所述排气总管温度传感器安装于内燃机排气总管管壁上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，所述处理单元包括分别对传感器信号进行滤波的滤波子单元、对滤波信号进行放大处理的放大子单元、对经滤波放大处理后的检测信号进行高速同步采样转换成数字信号的高速同步A/D转换器，所述滤波子单元、放大子单元和高速同步A/D转换器依次连接。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，所述分析单元采用双CPU结构，包括根据数字化的内燃机工作状态信号计算出异常值的从CPU和根据从CPU计算结果分析异常的严重程度产生报警信号并产生存储指令的主CPU。

7.根据权利要求1所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，还包括分别根据所述主CPU的存储指令和报警信号对检测信号和故障进行存储和报警的存储单元和报警单元，所述存储单元和报警单元分别连接到分析单元。

8.根据权利要求1所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，还设有输入输出单元和复位单元，其中所述输入输出单元为显示器件、按键及打印器件，所述输入输出单元和复位单元分别连接到分析单元。

9.根据权利要求1所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，还设有将分析单元产生的异常值发送出去的通信单元，所述通信单元连接到分析单元。

10.根据权利要求1所述的内燃机在线监测诊断装置，其特征在于，还包括供电单元，所述供电单元包括电池及电源转换器件。