DE102018129952A1

DE102018129952A1 - Systeme und verfahren für die zündzeitpunktverzögerung

Info

Publication number: DE102018129952A1
Application number: DE102018129952.4A
Authority: DE
Inventors: James Richard Zurlo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Ai Alpine Us Bidco Inc NDGes Des Staates Us
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2019-05-29
Also published as: US10584653B2; JP2019108889A; US20190162158A1

Abstract

Ein System schließt ein Steuerungssystem ein, welches dazu eingerichtet ist, Betriebsbedingungen in wenigstens einem ersten Zylinder (26) eines Hubkolbenmotors zu überwachen und den Hubkolbenmotor (10) zu steuern, wobei das Steuerungssystem einen ersten Sensor (23, 27, 29, 66) einschließt, welcher dazu eingerichtet ist, einen ersten Typ an Betriebsbedingungen des ersten Zylinders 26 zu überwachen und eine Steuerung, welche kommunizierend mit dem ersten Sensor (23, 27, 29, 66) gekoppelt ist. Die Steuerung (25) ist dazu eingerichtet, ein erstes Signal zu empfangen, das eine erste Messung des ersten Typs Betriebsbedingungen von dem ersten Sensor (23, 27, 29, 66) kennzeichnet; das erste Signal zu analysieren, um eine Fehlzündungsbedingung in dem ersten Zylinder zu erkennen; eine Menge an Restgas in dem ersten Zylinder abzuleiten, wenn die Fehlzündungsbedingung erfasst wurde; und (26) die Steuerung des Hubkolbenmotors (10) basierend auf der Menge an Restgas einzustellen.

Description

HINTERGRUND DER VORLIEGENDEN OFFENBARUNG
Der Gegenstand der hierin offenbart ist, bezieht sich auf Brennstoffverbrennungsmotoren und, spezieller, auf ein System und Verfahren zur Zündzeitpunktverzögerung.
Verbrennungsmotoren verbrennen typsicherweise kohlenstoffhaltigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, Benzin, Diesel oder dergleichen und verwenden die entsprechende Expansion von Gasen hoher Temperatur und Druck, um eine Kraft auf bestimmte Komponenten des Motors, zum Beispiel einen Kolben angeordnet in einen Zylinder des Motors auszuüben, um Komponenten über eine Distanz zu bewegen. Im Betrieb kann ein Funken das Luftbrennstoffgemisch in einer Brennkammer zünden, beispielsweise während eines Verdichtungstaktes des Kolbens. Der Zeitpunkt des Zündfunkens kann viele Variablen beeinflussen, darunter die Langlebigkeit des Motors, Brennstoffeffizienz und Motorleistung. Beispielsweise können Zündfunken, welche zu früh oder zu spät in dem Motorzyklus auftreten, für unerwünschte Vibrationen verantwortlich sein. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Zündzeitpunkt zu verzögern.
KURZE BESCHREIBUNG
Bestimmte Ausführungsformen, welche im Umfang mit der ursprünglich beanspruchten Erfindung übereinstimmen, sind unten zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sind nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu begrenzen, sondern diese Ausführungsformen sind eher dazu gedacht nur eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. In der Tat kann die vorliegende Offenbarung eine Vielzahl an Formen umfassen, die ähnlich zu oder unterschiedlich zu den Ausführungsformen, welche unten angegeben sind, sein können.
In einer ersten Ausführungsform schließt ein System ein Steuerungssystem ein, welches dazu eingerichtet ist, Betriebsbedingungen in wenigstens einem Zylinder eins Kolbenmotors zu überwachen und den Kolbenmotor zu steuern, wobei das Steuerungssystem einen ersten Sensor einschließt, der dazu eingerichtet ist, einen ersten Typ einer Betriebsbedingung des ersten Zylinders zu überwachen, und eine Steuerung, welche kommunikativ mit dem ersten Sensor gekoppelt ist. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, ein erstes Signal zu empfangen, welches eine erste Messung eines ersten Typs einer Betriebsbedingung von dem ersten Sensor anzeigt; das erste Signal zu analysieren, um eine Fehlzündungsbedingung in dem ersten Zylinder zu erkennen; eine Menge an Restgas in dem ersten Zylinder abzuleiten, wenn die Fehlzündungsbedingung erfasst wird; und die Steuerung des Hubkolbenmotors basierend auf der Menge an Restgas einzustellen.
Das System kann zudem Beispielsweise wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen.
In dem System kann der erste Sensor einen ersten Klopfsensor aufweisen.
In dem System kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, das erste Signal zu analysieren, um die Fehlzündungsbedingung zu detektieren durch: Gewinnen eins Referenzimpulses und einer Referenzantwortsignatur für Motorereignisse; empfangen darauffolgender Daten von einer Vielzahl von Sensoren, welche an einem Motor angeordnet sind; Ableiten eines nachfolgenden Impulses und einer nachfolgenden Antwortsignatur für Motorereignisse basierend auf nachfolgenden Daten; und bestimmen, ob sich die nachfolgende Antwortsignatur von der Referenzantwortsignatur für nachfolgende und Referenzimpulse bei entsprechenden Motorereignissen unterscheidet.
In dem System kann der erste Sensor einen Kapazitätssensor aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, die Fehlzündung durch Veränderung in der Zündspulenkapazität zu erfassen, einen Ionisationssensor, welcher dazu eingerichtet ist, Veränderungen im Stromfluss während der Verbrennung über Ionisation zu erfassen, oder eine Kombination davon.
In dem System kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, eine Menge an Restgas in dem ersten Zylinder über Restanteilsableitung abzuleiten. Der Restanteil kann aufweisen $x_{r} = \frac{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) c}{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) e}$
wobei x_r ein Restanteil ist und c und e Kompression bzw. Auslass und ${\tilde{x}}_{C O_{2}}$
Molanteile in einem Feuchtgas sind.
Das System kann das Anwenden eines Korrekturfaktors K aufweisen, um das Feuchtgas in ein Trockengas umzuwandeln, wobei $K = \frac{({\tilde{x}}_{i}) f e u c h t}{({\tilde{x}}_{i}) t r o c k e n} = \frac{1}{1 + 0.5 [y ({\tilde{x}}_{C O_{2}}^{*} + x_{C O}^{*}) - 0.74 {\tilde{x}}_{C O}^{*}]},$
wobei y ein molares Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis eines Brennstoffs für den Kolbenmotor und ${\tilde{x}}_{C O_{2}}^{*}, {\tilde{x}}_{C O}^{*}$
Trockenmolanteile sind.
In dem System kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, die Steuerung des Motors durch Verzögerung von Funkenzündung einzustellen.
In dem System kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, die Steuerung des Motors durch Einstellen von Brennstofffluss, Oxidationsmittelfluss oder einer Kombination davon einzustellen.
In einer zweiten Ausführungsform schließt ein Verfahren zum Steuern eines Motors das Empfangen eines ersten Signals ein, welches eine erste Messung eines ersten Typs an Betriebsbedingungen von einem ersten Sensor anzeigt, wobei der erste Sensor dazu eingerichtet ist, einen ersten Typ von Betriebsbedingungen eines ersten Zylinders eines Kolbenmotors zu überwachen. Das Verfahren schließt ferner das Analysieren des ersten Signals ein, um eine Fehlzündungsbedingung in dem ersten Zylinder zu erfassen und das Ableiten einer Menge von Restgas in dem ersten Zylinder, wenn die Fehlzündungsbedingung erfasst wird. Das Verfahren schließt auch das Einstellen der Steuerung des Kolbenmotors basierend auf der Menge von Restgas ein.
Das Verfahren kann zudem beispielsweise wenigstens eine oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
In dem Verfahren kann das Analysieren des ersten Signals, um die Fehlzündungsbedingung zu erfassen, aufweisen: Erfassen eines Referenzimpulses und einer Basisantwortsignatur für Motorereignisse; erfassen darauffolgender Daten von einer Vielzahl von Sensoren, welche an einem Motor angeordnet sind; Ableiten darauffolgender Pulse und einer darauffolgenden Antwortsignatur für Motorereignisse basierend auf den nachfolgenden Daten; und bestimmen, ob sich die nachfolgende Antwortsignatur von der Referenzantwortsignatur für nachfolgende und Referenzimpulse bei entsprechenden Motorereignissen unterscheidet, wobei der erste Sensor einen Klopfsensor aufweist.
In dem Verfahren kann das Analysieren des ersten Signals, um die Fehlzündungsbedingung zu erfassen, aufweisen, erfassen der Fehlzündungsbedingung durch Veränderungen in der Zündspulenkapazität, erfassen von Veränderungen in dem Stromfluss, während der Verbrennung über Ionisation oder einer Kombination davon und wobei der erste Sensor einen Kapazitätssensor, einen Ionisationssensor oder eine Kombination davon aufweisen kann.
In dem Verfahren kann das Ableiten der Menge an Restgas in dem ersten Zylinder aufweisen, Anwenden einer Restanteilsableitung.
In dem Verfahren kann der Restanteil aufweisen $x_{r} = \frac{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) c}{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) e}$
wobei x_r der Restanteil ist und wobei c und e Kompression bzw. Auslass bezeichnen und x̃_CO
2 Molanteile in einem Feuchtgas sind.
In der dritten Ausführungsform wird ein berührbares, nicht flüchtiges, computerlesbares Medium aufweisend Computerinstruktionen, welche darauf gespeichert sind, wobei die Computerinstruktionen, wenn von einem Prozessor ausgeführt, dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu zu veranlassen ein erstes Signal zu empfangen, das eine erste Messung eines ersten Typs von Betriebsbedingungen von einem ersten Sensor anzeigt, wobei der erste Sensor dazu eingerichtet ist einen ersten Typ an Betriebsbedingungen eines ersten Zylinders eines Hubkolbenmotors zu überwachen und das erste Signal zu analysieren, um eine Fehlzündungsbedingung in dem ersten Zylinder zu detektieren. Die Instruktionen sind dazu eingerichtet, um den Prozessor zusätzlich dazu zu veranlassen, eine Menge an Restgas in dem ersten Zylinder abzuleiten, wenn die Fehlzündungsbedingung erfasst wird, und die Steuerung des Hubkolbenmotors basierend auf der Menge von Restgas einzustellen.
Das berührbare, nicht-flüchtige computerlesbare Medium kann zudem beispielsweise wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
In dem berührbaren, nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium können die Instruktionen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu zu veranlassen, das erste Signal zu analysieren, um die Fehlzündungsbedingung zu erfassen, Instruktionen aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu zu veranlassen: Einen Referenzimpuls und eine Referenzantwortsignatur für Motorereignisse zu empfangen; nachfolgende Daten von einer Vielzahl von Sensoren zu empfangen, welche an einem Motor angeordnet sind; einen nachfolgenden Impuls und eine nachfolgende Antwortsignatur für Motorereignisse basierend auf den nachfolgenden Daten abzuleiten; und zu bestimmen, ob sich die nachfolgende Antwortsignatur von der Referenzantwortsignatur der nachfolgenden und Referenzimpulse bei entsprechenden Motorereignissen unterscheidet, wobei der erste Sensor einen Klopfsensor aufweist.
In dem berührbaren, nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium können die Instruktionen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu veranlassen, das erste Signal zu analysieren, um die Fehlzündungsbedingungen zu erfassen, Instruktionen aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu zu veranlassen, Fehlzündung aufgrund von Veränderungen in der Zündspulenkapazität, Veränderungen im Stromfluss während der Verbrennung über Ionisation zu erfassen, oder einer Kombination davon, zu erfassen, und wobei der erste Sensor einen Kapazitätssensor, ein Ionisationssensor oder Kombinationen davon aufweisen kann.
In dem berührbaren, nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium können die Instruktionen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu zu veranlassen, die Menge an Restgas in dem ersten Zylinder abzuleiten, Instruktionen aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu zu veranlassen, eine Restanteilsableitung anzuwenden. Der Restanteil kann aufweisen $x_{r} = \frac{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) c}{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) e},$
wobei x_r der Restanteil ist, und c und e Kompression bzw. Auslass bezeichnen und x̃_CO
2 Molanteile in einem Feuchtgas sind.
In dem berührbaren, nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium können die Instruktionen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu zu veranlassen, die Steuerung des Motors einzustellen, Instruktionen aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, den Prozessor dazu veranlassen, Brennstofffluss, Oxidationsmittelfluss oder eine Kombination davon einzustellen.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in allen Zeichnungen bezeichnen, wobei:

1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Teils eines Hubkolbenmotor-angetriebenen Leistungserzeugungssystems in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Kolbenbaugruppe innerhalb eines Zylinders des Hubkolbenmotors gezeigt in 1 in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Kurbelwelle eines Antriebssystems des Kolbenmotorsystems nach 1;
4 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform von drei Sensoren, welche auf einer starren Halterung platziert sind, welche eine Kopplung, verwendet in der Kurbelwelle der 3, umgibt;
5 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses zum Erfassen von Bedingungen des Antriebssystems während das Hubkolbenmotorsystem betrieben wird; und
6 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses zum Bestimmen von Referenzlinien für Impuls und Antwort-Paare während bestimmten Motorzeitablaufereignissen, wie durchgeführt in dem Prozess gemäß 5; und
7 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses zum Bestimmen von Motorbedingungen, zum Beispiel Fehlzündungen, Ableiten von bestimmten Motorparametern, zum Beispiel Menge an Restgas in einem Zylinder und Einstellen von Motorsteuerung basierend auf abgeleiteten Motorparametern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden unten beschrieben werden. In einem Bemühen eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen bereitzustellen, können möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung beschrieben werden. ES sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung einer beliebigen solchen tatsächlichen Implementierung in jedem Ingenieurprojekt eine Vielzahl von implementierungsspezifischen Entscheidungen getroffen werden muss, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erhalten, die beispielsweise Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Beschränkungen, welche von einer Implementierung zur anderen variieren können. Zudem sollte es verstanden werden, dass solch ein Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem eine Routineaufgabe der Erzeugung und Herstellung für den Fachmann, welcher den Vorteil dieser Offenbarung hat.
Wenn Elemente von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, ist es beabsichtigt, dass die Artikel „ein“, „einer“ „der, die das“ und „besagtes“ bedeuten, dass es eine oder mehrere Elemente gibt. Die Begriffe „aufweisend“, „einschließend“ und „haben“ sind dazu gedacht inklusiv zu sein und zu bedeuten, dass es zusätzliche andere als die aufgeführten Elemente gibt.
Die vorliegende Offenbarung ist auf Hubkolbenmotoren und spezieller auf die Verzögerung des Zündzeitpunkts in Verbrennungsmaschinen gerichtet. Im Allgemeinen schließt ein Hubkolbenmotor eine Zündeinrichtung oder Mechanismus (zum Beispiel ein Zündkerze) ein, die die Brennstoffluftmischung innerhalb der Verbrennungskammer zündet, wenn der Kolben sich nach oben zum oberen Teil des Zylinders bewegt. Beispielsweise kann die Zündkerze die Brennstoffluftmischung zünden, wenn der Kurbelwinkel der Kurbelwelle etwa 5 bis 35 von dem oberen Totpunkt (TDC) ist, wobei TDC eine „höchste“ Position des Kolbens innerhalb des Zylinders ist. Der verbesserte Zeitpunkt für die Zündung (zum Beispiel so dass die Zündung zu einem bestimmten Moment während eines Zyklus des Motors auftritt) kann die Leistungsfähigkeit des Hubkolbenmotors verbessern. Beispielsweise kann ein schlechter Zeitpunkt der Zündung Vorzündung (zum Beispiel Motorklopfen, Klingeln) verursachen, was eine Bedingung beschreibt, in der Taschen von Brennstoffluftmischung außerhalb einer einhüllenden der primären Verbrennungsfront verbrennen. Vorzündung kann das Erlangen von Arbeit (zum Beispiel durch den Kolben) von den expandierenden Verbrennungsgasen reduzieren.
In dem Zylinder kann während normalen Betriebes einiges Festgas enthalten sein. Wenn der Hubkolbenmotor das Restgas fehlzündet, wird Auslassgas durch eine frische Ladung ersetzt. Wenn der Hubkolbenmotor dann nach der frischen Ladung zündet, kann der Spitzenzylinderdruck über gewünschte Level steigen und kann unerwünschte Effekte an Leistungszylinderkomponenten. Durch Verzögerung des Zündzeitpunkts eines fehlzündenden Zylinders wenn er zündet, wird der Spitzenzylinderdruck reduziert. Wenn der Motor fehlgezündet hat, kann im Speziellen die Funkenzündung den Zylinderdruck vorteilhaft reduzieren und die Langlebigkeit des Motors verbessern. Die Techniken die hierin beschrieben sind können in einer Ausführungsform zuerst das Auftreten einer Fehlzündung in Echtzeit detektieren und nachfolgend den Zündzeitpunkt verzögern. Nach Funkenverzögerung kann der Funkenzeitpunkt wieder auf normalen Betrieb verändert werden. Sollte verstanden werden, dass die Techniken die hierin beschrieben sind, auch auf Hubkolbenmotoren anwendbar sind, die diese für die Zündung beispielsweise durch Kompression verwenden. Durch das Erfassen von Fehlzündungen in Echtzeit und das nachfolgende Verzögern von Funkenzeitpunkt können die Techniken die hierin beschrieben sind, die Motoreffizienz verbessern und die Motorlebensdauer vergrößern.
Sich nun den Zeichnungen zuwendend, illustriert 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Teils eines motorgetriebenen Leistungserzeugungssystems 8. Wie in Detail unten beschrieben, schließt das System 8 einen Motor 10 (Zum Beispiel einen internen Verbrennungshubkolbenmotor) ein, der eine oder mehrere Verbrennungskammern 12 aufweist (zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 oder mehr Verbrennungskammern 12). Eine Luftversorgung 14 ist dazu eingerichtet ein unter Druck gesetztes Oxidationsmittel 16, wie beispielsweise Luft, Sauerstoff, sauerstoffangereichte Luft, sauerstoffarme Luft oder irgendeine Kombination davon an jede Verbrennungskammer 12 zu liefern. Die Verbrennungskammer 12 ist auch dazu eingerichtet, einen Brennstoff 18 zu empfangen (zum Beispiel ein flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff) von einer Brennstoffversorgung 19 und einer Brennstoffluftmischung zündet und verbrennt innerhalb jeder Verbrennungskammer 12. Das heiße unter Druck gesetzte Verbrennungsgas veranlasst den Kolben 20 benachbart zu jeder Verbrennungskammer 12 sich linear innerhalb eines Zylinders 26 zu bewegen und den Druck ausgeübt durch das Gas, in eine rotierende Bewegung umzuwandeln, was einen Schaft 22 dazu veranlasst zu rotieren. Zudem kann der Schaft 22 an eine Last 24 gekoppelt werden, welche mittels Rotation des Schaftes 22 angetrieben wird. Beispielsweise kann die Last 24 jedes geeignete Gerät sein, das Leistung mittels der Rotationsausgabe des Systems 10 erzeugen kann, wie beispielsweise ein elektrischer Generator. Zusätzlich obwohl die folgende Diskussion sich auf Luft als das Oxidationsmittel 16 bezieht, kann jedes geeignete Oxidationsmittel mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden. In ähnlicher Weise kann der Brennstoff 18 jedes geeignete gasförmige, jeder geeignete gasförmige Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, assoziiertes Petroleumgas, Propan, Biogas, Kanalgas, Deponiegas, Kohlenminengas als Beispiele.
Das System 8 das hierin offenbart ist, kann für die Verwendung in stationären Anwendungen angepasst werden (zum Beispiel in industriellen Leistungsmotoren) oder in mobilen Anwendungen (z.B. in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen). Der Motor 10 kann ein Zweitaktmotor, ein Dreitaktmotor, ein Viertaktmotor, ein Fünftaktmotor oder ein Sechstaktmotor sein. Der Motor 10 kann auch eine beliebige Anzahl an Verbrennungskammern 12, Kolben 20 und damit verbundenen Zylindern (z.B. 1-24) aufweisen. Beispielsweise kann das System 8 in bestimmten Ausführungsformen einen industriellen Hubkolbenmotor in großer Größe aufweisen, welcher 4, 6, 8, 10, 16, 24 oder mehr Kolben 20 aufweist, welche eine wiederkehrende Bewegung in den Zylindern 26 ausführen. In einigen solcher Fälle können die Zylinder 26 und/oder die Kolben 20 einen Durchmesser von zwischen etwa 13,5-34 Zentimetern (cm) aufweisen. In manchen Ausführungsformen können die Zylinder und/oder die Kolben 20 einen Durchmesser von etwa 10-40 cm, 15-25 cm oder etwa 15 cm aufweisen. Das System 10 kann Leistungen zwischen 10 kW und 10 MW erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann der Motor 10 bei weniger als 1800 Umdrehungen pro Minute (U/min) arbeiten. In manchen Ausführungsformen kann der Motor 10 bei weniger als etwa 2000 U/min, 1900 U/min, 1700 U/min, 1600 U/min, 1500 U/min, 1400 U/min, 1300 U/min, 1200 U/min, 1000 U/min, 900 U/min oder 700 U/min arbeiten. In manchen Ausführungsformen kann der Motor 10 zwischen etwa 750-2000 U/min, 900-1800 U/min oder 1000-1600 U/min arbeiten. In einigen Ausführungsformen kann der Motor 10 bei etwa 1800 U/min, 1500 U/min, 1200 U/min, 1000 U/min oder 900 U/min arbeiten. Beispielhafte Motoren 10 sind Jenbacher Motoren der General Electric Company (z.B. Jenbacher Typ 2, Typ 3, Typ 4, Typ 6 oder J920 FleXtra) oder Waukesha Motoren (z.B. Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL).
Das angetriebene Leistungserzeugungssystem 8 kann für jeden Zylinder 26 einen oder mehrere Klopfsensoren 23 aufweisen, die dazu geeignet sind, Motor„klopfen“ zu erfassen. Die Klopfsensoren 23 können beliebige Sensoren sein, welche dazu eingerichtet sind, Geräusche oder Vibrationen, verursacht durch den Motor 10, zu erfassen, wie beispielsweise Geräusche oder Vibrationen in den Zylindern 26 des Motors 10 aufgrund von Detonation, Vorzündung oder Klingeln. Der Klopfsensor 23 ist kommunikativ gekoppelt mit einer Motorsteuerungseinheit (ECU) 25 gezeigt. Während des Betriebs werden Signale von den Klopfsensoren oder dem Klopfsensor 23 zu der ECU 25 kommuniziert, um zu bestimmen, ob Klopfbedingungen (z.B. Klingeln) existieren. Die ECU 25 kann dann bestimmte Parameter des Motors 10 einstellen, um die Klopfbedingungen zu verbessern oder zu eliminieren. Beispielsweise kann die ECU den Zündzeitpunkt einstellen und/oder Ladedruck einstellen, um das Klopfen zu eliminieren. Wie weiter hierin beschrieben wird, kann der Klopfsensor 23 zusätzlich ableiten, dass bestimmte Geräusche oder Vibrationen weiter analysiert und kategorisiert werden sollten, um beispielsweise Motorbedingungen (z.B. Fehlzündung, vorzeitige Zündung oder Klingeln) zu erkennen.
Das angetriebene Leistungserzeugungssystem 8 kann auch für jeden Zylinder 26 einen oder mehrere Kurbelwellensensoren 66 einschließen, welche dazu geeignet sind, eine Position der Kurbelwelle des damit verbundenen Zylinders 26 oder des Leistungserzeugungssystems zu erkennen, zu beobachten oder zu verfolgen. Zum Beispiel kann das Leistungserzeugungssystem 8 mehrere Kurbelwellen einschließen, welche jeweils an einen oder mehrere Zylinder 26 gekoppelt sind oder das Leistungserzeugungssystem 8 kann nur eine Kurbelwelle einschließen, welche an alle Zylinder 26 gekoppelt ist. Jeder der Kurbelwellensensoren 66 kann eine Position der Kurbelwelle überwachen, beispielsweise relativ zu einem Zündzeitpunkt in jedem der Zylinder 26.
Das angetriebene Leistungserzeugungssystem 8 kann auch einen Ionisationssensor 27 (oder mehrere Ionisationssensoren 27) einschließen, welche kommunikativ mit einem oder mehreren der Zylinder 26 (z.B. einer Verbrennungskammer 12 innerhalb des Zylinders 26) gekoppelt sind oder mit einer beliebigen anderen Komponente des Motors 10. Der Ionisationssensor 27 kann die Verbrennung durch Bereitstellen einer Spannung detektieren und detektieren, wenn Strom fließt (z.B. Verbrennung) und wenn kein Strom fließt (z.B. keine Verbrennung). Zusätzlich oder alternativ können der Kapazitätssensor oder die Kapazitätssensoren 29, welche in dem Zündkerzensystem 31 angeordnet sind, verwendet werden, um Fehlzündungen zu detektieren. Während der Zündung kann die Spulenkapazität gemessen und Fehlzündungen können detektiert werden. Allerdings können Klopfsensoren Fehlzündungen detektieren, wie unten in größerem Detail beschrieben, unabhängig von der Ursache (z.B. Zündursachen). Sobald die Fehlzündung detektiert ist, kann bestimmte Analyse durchgeführt werden, beispielsweise um eine Menge an Restgas, welche bereits in dem Zylinder 26 vorhanden ist, zu berechnen. Das Ergebnis der Analyse kann dann durch die ECU 25 verwendet werden, um die Steuerung einzustellen. Beispielsweise kann die ECU 25 den Zündzeitpunkt durch Steuern von Zündkerzenzündung verzögern oder kann Brennstoff und/oder Oxidationsmittel (z.B. Luft)-Mengen einstellen, um das Restgas zu berücksichtigen oder eine Kombination davon. Entsprechend kann die nächste Verbrennung nach dem Fehlzündungsereignis einen Spitzenfeuerungsdruck haben, der in den Bereich, den der Hersteller empfiehlt, fällt, und nicht auf die hohe Seite oder über den empfohlenen Herstellerbereich fällt. Das heißt, ohne die hierin beschriebenen Techniken kann die ECU 25 eine Menge an Brennstoff hinzugefügt haben, ohne das Restgas zu berücksichtigen und/oder kann die Zündung nicht verzögert haben, was in Spitzenfeuerungsdrücken resultiert, die höher als gewünscht sind.
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Kolbenbaugruppe 25 mit einem Kolben 20, angeordnet innerhalb eines Zylinders 26 (z.B. ein Motorzylinder) eines Hubkolbenmotors 10. Beispielsweise kann der Hubkolbenmotor 10 der 1 eine oder mehrere Kolbenbaugruppen 25 einschließen (und verbundene Zylinder 26), die in 2 gezeichnet sind. Der veranschaulichte Zylinder 26 hat eine innere ringförmige Wand 28, welche einen zylindrischen Hohlraum 30 (z.B. Bohrung) definiert. Der Kolben 20 kann durch eine axiale Achse oder Richtung 34, eine radiale Achse oder Richtung 36 und eine umfängliche Achse oder Richtung 38 festgelegt sein. Der Kolben 20 schließt einen Spitzenabschnitt 40 (z.B. einen Feuersteg) ein. Der Spitzenabschnitt 40 hindert den Brennstoff 18 oder die Luft 16 oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch 32 von dem Entkommen aus der Brennkammer 12 während wiederkehrender Bewegung des Kolbens 20.
Wie gezeigt, ist der Kolben 20 mit einer Kurbelwelle 54 über ein Verbindungsrohr 56 und einen Zapfen 58 verbunden. Die Kurbelwelle 54 überträgt die wiederkehrende lineare Bewegung des Kolbens 24 in eine rotierende Bewegung. Wie zuvor beschrieben kann der Motor 10 eine oder mehrere Kurbelwellen 54 einschließen, wobei jede Kurbelwelle an eine Kolbenbaugruppe 25 gekoppelt ist oder an mehrere Kolbenbaugruppen 25 (und damit verbundene Zylinder 26) des Motors 10. Wenn sich der Kolben 20 bewegt, rotiert die Kurbelwelle 54, um die Last 24 anzutreiben (gezeigt in 1), wie oben diskutiert. Wie gezeigt ist die Brennkammer 12 benachbart zu dem Feuersteg 40 des Kolbens 24 angeordnet. Ein Einlassventil 62 steuert die Lieferung von Luft 16 zu der Brennkammer 12. Ein Auslassventil 64 steuert den Auslass von Abgas aus dem Motor 10. Es sollte allerdings verstanden werden, dass jedes geeignete Element und/oder Technik zum Bereitstellen von Brennstoff 18 und Luft in der Verbrennungskammer 12 und/oder zum Auslassen von Abgas verwendet werden kann und in manchen Ausführungsformen Brennstoffeinspritzung verwendet wird. Im Betrieb veranlasst die Verbrennung des Brennstoffes 18 mit der Luft 16 in der Brennkammer 12 den Kolben 20, sich in einer wiederkehrenden Weise (z.B. rück- und vor) in axialer Richtung 34 innerhalb des Hohlraums 30 des Zylinders 26 zu bewegen.
Während des Betriebs ist, wenn der Kolben 20 im höchsten Punkt des Zylinders 26 ist, er in einer Position, welche oberer Totpunkt (TDC) genannt wird. Wenn der Kolben 20 am niedrigsten Punkt in dem Zylinder 26 ist, ist er in einer Position, welche unterer Totpunkt (BDC) genannt wird. Wenn sich der Kolben 20 von oben nach unten oder von unten nach oben bewegt, rotiert die Kurbelwelle 54 eine halbe Umdrehung. Jede Bewegung des Kolbens 20 von oben nach unten oder von unten nach oben wird Takt genannt und Ausführungsformen des Motors können Zweitaktmotoren, Dreitaktmotoren, Viertaktmotoren, Fünftaktmotoren, Sechstaktmotoren und mehr aufweisen.
Während Betrieben des Motors tritt eine Folge, aufweisend einen Einsaugprozess, einen Kompressionsprozess, einen Leistungsprozess und einen Auslassprozess auf. Der Einlassprozess befähigt eine verbrennbare Mischung, wie beispielsweise Brennstoff und Luft in den Zylinder 26 gezogen zu werden, daher ist das Einlassventil 62 geöffnet und das Auslassventil 64 wird geschlossen. Der Kompressionsprozess komprimiert die brennbare Mischung auf einen kleineren Raum, so dass sowohl das Einlassventil 62 als auch das Auslassventil 64 geschlossen werden. Der Leistungsprozess zündet die komprimierte Brennstoff-Luft-Mischung, welche eine Funkenzündung durch das Zündkerzensystem und/oder eine Kompressionszündung durch Kompressionswärme einschließen kann. Der resultierende Druck von der Verbrennung treibt den Kolben 20 dann zum TDC. Der Auslassprozess führt den Kolben 20 typischerweise zum TDC zurück, während das Auslassventil 64 offen gehalten wird. Der Auslassprozess stößt daher die verbrannte Brennstoff-Luft-Mischung (z.B. Verbrennungsgase) durch das Abgasventil 64 aus. Es soll bemerkt werden, dass mehr als ein Einlassventil 62 und Auslassventil 64 pro Zylinder 26 verwendet werden können.
Unter bestimmten Bedingungen kann die Luft-Brennstoff-Mischung vorzeitig verbrennen, bevor der Kolben 20 zu dem TDC zurückkehrt. Diese Bedingungen können „Klopfen“ oder „Klingeln“ genannt werden, und können durch den Klopfsensor 23, den Ionisationssensor 27 und/oder den Kapazitätssensor 29 erkannt werden. Andere Bedingungen können die Luft-Brennstoff-Mischung dazu veranlassen, verspätet zu verbrennen, nachdem der Kolben 20 den TDC passiert hat. Diese Bedingungen werden „Fehlzündung“ genannt. Das Klopfen oder Fehlzünden kann durch viele Bedingungen einschließlich Umweltbedingungen, Motorgesundheit, Last auf dem Motor 10, Luftfluss, Brennstoffstrom oder Zusammensetzung des Brennstoffes beeinflusst werden.
Der veranschaulichte Motor 10 schließt auch den Kurbelwellensensor 26, den Klopfsensor 23 und die Motorsteuerungseinheit (ECU) 25 aus 1 ein, welche einen Prozessor 72 und einen Speicher 74 einschließt. Der Kurbelwellensensor 66 kann die Position und/oder Drehzahl der Kurbelwelle 54 erfassen. Entsprechend kann ein Kurbelwinkel oder eine Kurbelzeitinformation in bestimmten Ausführungsformen abgeleitet werden. Das heißt, wenn Verbrennungsmotoren überwacht werden, wird der Zeitpunkt häufig anhand des Winkels der Kurbelwelle 54 ausgedrückt, welcher mit der Zeit zusammenhängt. Beispielsweise kann ein voller Zyklus eines Viertaktmotors 10 als ein 720°-Zyklus über eine Zeitperiode gemessen werden. In manchen Ausführungsformen kann der Kurbelwellensensor 66 auch eine Arbeitswinkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 54 detektieren. Eine Veränderung in der Arbeitswinkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 54 (z.B. so dass die Arbeitswinkelgeschwindigkeit über einer Basislinie, Schwelle oder gewünschtem Wert der Winkelgeschwindigkeit ist), kann eine Veränderung (z.B. ein Anstieg) in einem Spitzenfeuerungsdruck anzeigend sein, wie im Detail unten mit Bezug auf weitere Figuren beschrieben werden wird.
Der Klopfsensor 23 kann ein oder mehrere eines Piezoelektrischen Beschleunigungssensors, ein elektromechanischer Mikrosystem(MEMS)-Sensor, ein Hall-Effektsensor, ein magnetostriktiver Sensor oder dergleichen einschließen. Der Sensor 23 kann auch einen beliebigen anderen Sensor einschließen, welcher dazu ausgelegt ist, Vibration, Beschleunigung, Geräusch und/oder Bewegung zu erkennen. In anderen Ausführungsformen kann der Sensor 23 kein Klopfsensor im traditionellen Sinne sein, aber ein beliebiger Sensor, der Vibration, Druck, Beschleunigung, Ablenkung oder Bewegung erfassen kann und nicht verwendet werden kann, um Motor„klopfen“ zu erfassen.
Der Ionisationssensor 27 kann eine Spannung bereitstellen, welche dazu geeignet ist, ein Plasma während der Verbrennung zu erzeugen und kann auch einen Strom bereitstellen. Der Stromfluss durch das erzeugte Plasma kann daher die Verbrennung anzeigen, während der Mangel an Stromfluss anzeigend für den Mangel an Verbrennung sein kann. In bestimmten Ausführungsformen kann der Ionisationssensor in dem Zündkerzensystem 31 angeordnet sein. Der Kapazitätssensor 29 kann auch Fehlzündungen durch Veränderungen in der Kapazität erfassen, wenn eine Zündspule hohe Spannungen für die Erzeugung von Zündfunken über das Zündkerzensystem 31 erzeugt. Beispielsweise kann sich eine Referenzkapazität während einer Fehlzündung verändern.
Aufgrund der schlagenden Natur des Motors 10 kann der Klopfsensor 23 fähig sein, Signaturen zu erfassen, selbst wenn dieser auf dem äußeren des Zylinders 26 angebracht ist. Allerdings können der Klopfsensor oder die Klopfsensoren 23 an verschiedenen Orten in oder um jeden Zylinder 26 angeordnet sein. Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen ein einzelner Klopfsensor 23 beispielsweise unter einem oder mehreren Zylindern 26 geteilt werden. In anderen Ausführungsformen kann jeder Zylinder 26 einen oder mehrere Klopfsensoren 23 einschließen. Der Kurbelwellensensor 66 und der Klopfsensor 23 werden in elektronischer Kommunikation mit der Motorsteuerungseinheit (ECU) 25 gezeigt. Die ECU 25 schließt einen Prozessor 72 und den Speicher 74 ein. Der Speicher 74 kann Computerinstruktionen speichern, welche durch den Prozessor 72 ausgeführt werden können. Die ECU 25 überwacht und steuert den Betrieb des Motors 10 beispielsweise durch Einstellen von Verbrennungszeitpunkt (z.B. Verzögerung von Zündzeitpunkt), Ventile 62, 64, Zeitplan, Einstellen der Lieferung von Brennstoff und Oxidationsmittel (z.B. Luft) usw.
Jeder der Sensoren 23, 27, 29, 66 kann Signale übertragen, welche für die entsprechenden Betriebsbedingungen anzeigend sind, welche die Sensoren 23, 27, 29, 66 an die Steuerung 25 übermitteln, welche die Signale analysiert, um eine Veränderung in dem Betriebsspitzenfeuerungsdruck zu erkennen und um eine Ursache für die Veränderung im Spitzenfeuerungsdruck zu diagnostizieren, wie unten angegeben. Das heißt, die Techniken, die hierin beschrieben sind, können die ECU 25 benutzen, um Daten von dem Klopfsensor 23 jedes Zylinders 26 (oder in der Gruppe von Zylindern 26), dem Kurbelwellensensor 66 jedes Zylinders 26 (oder einer Gruppe von Zylindern 26), dem Ionisationssensor oder den Ionisationssensoren 27 jedes Zylinders 26 (oder einer Gruppe von Zylindern 26) und/oder dem Kapazitätssensor oder den Kapazitätssensoren 29 jedes Zylinders 26 (oder einer Gruppe von Zylindern 26) zu empfangen. Die ECU 25 kann dann durch den Prozess des Analysierens der Daten gehen, um Betriebsbedingungen des Motors 10 zu bestimmen und die Ursachen für anormale oder unerwünschte Betriebsbedingungen zu diagnostizieren. Die ECU 25 kann beispielsweise eine oder mehrere der Signale analysieren, um eine Veränderung (z.B. einen Anstieg) in dem Betriebsspitzenfeuerungsdruck in einem oder mehreren der Zylinder zu erfassen und zusätzlich ein oder mehrere Signale, um die Ursache der Veränderung (z.B. den Anstieg) in dem Betriebsspitzenfeuerungsdruck des einen oder der mehreren Zylinder zu diagnostizieren.
Während die Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, eine Vielzahl von Techniken verwenden können, um Fehlzündungen in Echtzeit zu erfassen (z.B. im Wesentlichen unverzüglich), kann es vorteilhaft sein, Echtzeitfehlzündungserfassungstechniken wie angewendet auf die Verwendung von dem Klopfsensor 23 zu beschreiben, wie es detaillierter mit Bezug auf 3 gezeigt ist.
3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Kurbelwelle 22 eines Antriebssystems 132 des Hubkolbenmotorsystems 10 der 1. Wie dargestellt, kann die Kurbelwelle 22 ein Schwungrad 142 einer Anzahl von Kurbelzapfen 144 und eine Nabe 146, verbunden mit einem Schaft 148, einschließen. Die Kurbelwellenzapfen 144 können mit einem „großen“ Ende der verbindenden Stäbe des entsprechenden Zylinders verbunden sein. Die Kurbelwelle 22 kann verwendet werden, um die wiederkehrende Bewegung des Kolbens 24 in eine Rotationsbewegung zu übertragen. Das Schwungrad 142 wird verwendet, um den Kolben von einem unteren Totpunkt (BDC) zum TDC unter Verwendung von Leistung, gespeichert von anderen Kolben, verbunden mit der Kurbelwelle 22, zu bewegen oder durch denselben Prozess, welcher auf die andere Seite des Kolbens wirkt. Beispielsweise kann das Schwungrad 142 verwendet werden, um den Motor 12 durch einen nicht mit Leistung versorgten Teil des Motorzyklus zu tragen. Das Schwungrad 142 kann auch gleichmäßige Rotation der Kurbelwelle 22 bereitstellen, und die Nabe 46 kann verwendet werden, um unter anderem Torsionsschwingungen der Kurbelwelle 22 zu dämpfen. In manchen Ausführungsformen kann die Kurbelwelle 22 Kopplungen einschließen, um die Kurbelwellenzapfen 144, die Nabe 146 und/oder das Schwungrad 142 mit dem Schaft 148 zu verbinden. Zudem kann die Kurbelwelle 22 auf Lagern oder Wellenlagern rotieren, welche die Kräfte, erzeugt durch den Kolben 24 und übertragen durch die Verbindungsstäbe auf die Kurbelwelle 22, daran hindern, die Kurbelwelle 22 zu verdrängen. Es sollte verstanden werden, dass die offenbarten bedingungsbasierten Überwachungstechniken alle Komponenten des Antriebssystems 132 überwachen können, einschließlich der Komponenten (z.B. Kurbelwelle 22, Kupplungen, Lager, Zapfen, Basisrahmen, Anbringungspunkte oder damit in Beziehung stehende Komponenten), wie oben diskutiert.
4 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform von 3 Sensoren 23, welche auf einer starren Halterung 150 angeordnet sind, welche eine Kopplung 152 umgeben, die in der Kurbelwelle 22 gemäß 1 verwendet wird. Die drei Sensoren 23 sind voneinander auf einem Kreis um 120° versetzt angeordnet, was Messungen in den x-, y- und z-Achsen ermöglicht. Die drei Sensoren 23 können lokale Schwingungen der Kurbelwelle 22 messen und die Messungen an den Prozessor 72 zur Analyse senden. Die Messungen von den drei Sensoren 23 können beispielsweise verwendet werden, um zu beurteilen, ob die Schwingungsantwort der Kurbelwelle 22, die detektiert ist, angemessen ist, basierend auf den Eingängen (z.B. Torsionsbeschleunigung, Spitzenfeuerungsdruck) in das System 10.
Zudem kann ein Klopfsensor 23 lokal auf dem Motor 12 in derselben Ebene wie die Kurbelwelle 22 (z.B. x-, y-Ebene) angeordnet sein. Das Platzieren des Klopfsensors in derselben Ebene wie die Kurbelwelle 22 kann das Detektieren von Vibrationen ermöglichen, wenn die Bewegung des Kolbens 24 verhindert wird (z.B. hängen bleibt) und/oder sich der Kolben 24 überhitzt. Wenn der Kolben hängen bleibt, kann es eine vertikale lineare Bewegung in dem Zylinder 26 geben, die die Rotationsbewegung auf einem Stabzapfen oder Hauptzapfen beeinträchtigt, welcher in Kontakt mit der Kurbelwelle 22 ist. Das heißt, jeder Bewegungswiderstand der Kurbelwelle 22 kann sich als ein Puls des Klopfsensors 23 zeigen. Der Klopfsensor 23 kann 90° bezüglich des Zentrums der Kurbelwelle 22 (z.B. senkrecht zu der Kurbelwelle 22) angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Klopfsensor auf einem Lagerdeckel angeordnet sein, der eine klarere Resonanzablesung der Kurbelwelle 22 bei einem nahen Ort bereitstellt.
5 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses 160 zum Erfassen von Bedingungen des Hubkolbenmotorsystems 10, während das System 10 betrieben wird, sowie beispielsweise Fehlzündungsbedingungen über den Klopfsensor 23. Der Prozess 160 kann als Computerinstruktionen implementiert sein, welche auf dem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium (z.B. Speicher 74) gespeichert sind und durch den Prozessor 72 ausführbar sind. Obwohl die folgende Beschreibung des Prozesses 160 mit Bezug auf den Prozessor 72 der Steuerung oder ECU 25 beschrieben wird, sollte es bemerkt werden, dass der Prozess 160 durch andere Prozessoren angeordnet auf anderen Geräten durchgeführt werden kann, die fähig sein können, mit der Steuerung oder der ECU 35 und/oder den Sensoren 23, 27, 29, 66 zu kommunizieren. Zusätzlich sollte es bemerkt werden, dass, obwohl der folgende Prozess 160 eine Anzahl von Tätigkeiten beschreibt, die durchgeführt werden können, der Prozess 160 in einer Vielzahl von geeigneten Anordnungen durchgeführt werden kann, und dass nicht alle der Tätigkeiten durchgeführt werden können. Es sollte geschätzt werden, dass der Prozess 160 gänzlich von der ECU 25 durchgeführt werden kann oder die Ausübung über die ECU 25 und andere Geräte (z.B. Arbeitsstation) verteilt sein kann.
Nun bezugnehmend auf den Prozess 160 kann der Prozessor 72 Daten von einem oder mehreren Sensoren 23, 27, 29 und/oder 66 (Block 162) empfangen. Beispielsweise kann der Prozessor 72 Drehzahldaten von Drehzahlsensoren der Kurbelwelle 22 empfangen, die der Prozessor verwenden kann, um eine Torsionsbeschleunigung-/entschleunigung der Kurbelwelle 22, Vibrationsdaten, welche für Fehlzündungsereignisse kennzeichnend sind, und/oder Spitzenfeuerungsdruck pro Zyklus von Klopfsensoren 23 lokal am Motor 12 (z.B. auf dem Kopf angeordnet), Kurbelwellenwinkelgrad, welcher kennzeichnend für die Position des Kolbens 20 ist, eine Anzeige der Kurbelwellenposition im TDC, verwendet, um Zündzeitpunkt zu bestimmen (z.B. Position n Feuerungsablauf), und/oder Vibrationsfrequenz der Kurbelwelle 22 von dem Klopfsensor 23 lokal an der Kurbelwelle 22 und den Sensoren 27, 29, 66 zu bestimmen. In manchen Ausführungsformen kann der Prozessor 72 die Information verwenden, um den Feuerungsablauf des Zylinders 26 (z.B. Bestimmen, welcher Zylinder 26 gerade gefeuert wurde) und die Schwingungsantwort, die sich aus dem Feuerungsereignis ergab, zu bestimmen. Entsprechend kann der Prozessor 72 die Referenz für die Impuls- und Antwortpaare während bestimmten Motorereignissen (Block 164) bestimmen. Der Impuls kann die Torsionsbeschleunigung, angewendet auf die Kurbelwelle 22, den Spitzenfeuerungsdruck usw. einschließen, und der Impuls kann abhängig davon variieren, welches Motorereignis (z.B. Einlass, Verbrennung, Leistung, Auslass) auftritt. Gleichermaßen kann die Schwingungsantwort auf den Impuls entsprechend für jedes der Motorereignisse variieren. Die Referenz kann bestimmt werden, wenn der Motor 12 zuerst in Betrieb genommen wird, oder kann online gestellt werden. Zusätzlich und alternativ können die Referenzen von dem Hersteller in einer Testeinrichtung bestimmt werden. Es sollte verstanden werden, dass die Referenzen periodisch bestimmt werden können, wie beispielsweise jedes Mal, wenn der Motor 12 gestartet wird. Die Referenzen für Impuls- und Antwortpaare können in dem Speicher 74 für späteren Zugriff gespeichert werden.
Der Prozessor kann nachfolgende Impuls- und Antwortpaare basierend auf nachfolgenden Daten, empfangen von den einen oder mehreren Sensoren 23 (Block 166) bestimmen. Dann kann der Prozessor 72 bestimmen, ob die nachfolgende Vibrationsantwort wesentlich anders ist als eine Referenzantwort für ähnliche Impulse bei dem speziellen Motorereignis. Das heißt, der Prozessor 72 kann beispielsweise ein mehrdimensionales Modell verwenden, um zu bestimmen, ob die nachfolgende Schwingungsantwort von der Referenzschwingungsantwort für dieselben Eingaben abweicht. Es sollte bemerkt werden, dass „mehrdimensional“ sich wenigstens auf die mehreren Eingaben, berücksichtigt durch das Modell, beziehen kann. Wie zuvor diskutiert, können die Eingaben, die kombiniert werden können, die Torsionsbeschleunigung/-entschleunigung, angewendet auf die Kurbelwelle 22, die Position des Kolbens in Kurbelwinkelgrad (oder mit Bezug auf seinen Ort in dem Zylinder, z.B. TDC), den Zeitpunkt der Motorereignisse (z.B. Zylinderposition in Feuerungsordnung), ob der Zylinder 26 in Fehlzündungsbedingung war, ein geschätzter Zylinderdruck, eine elektrische Last und/oder dergleichen, empfangen von den Sensoren 23, einschließen.
Es mag geschätzt werden, dass es verschiedene Wege gibt, in denen ein Zylinder feuern kann. Beispielsweise kann ein Zylinder bei einer gegebenen Drehzahl und Modus abnormal feuern durch starkes Feuern (z.B. mehr Druck für ein bestimmtes Motorereignis) oder Fehlzünden oder schwach Feuern (z.B. weniger Druck oder Drehmoment). Das multidimensionale Modell ist dazu in der Lage, zwischen den verschiedenen Möglichkeiten, in denen der Zylinder feuert, zu unterscheiden und die Vibrationsantworten genau zu bewerten, da die Vibrationsantworten mit der speziellen Art, in der der Zylinder gefeuert hat, verbunden sind (z.B. die Eingaben bezüglich des Feuerungsdrucks, der Torsionsbeschleunigung, des speziellen Zündzeitpunkts, usw.).
Zusätzlich können die Referenzvibrationsantwortsignaturen für bestimmte Ereignisse gespeichert werden. Wenn beispielsweise der Motor normal arbeitet und eine bestimmte Menge an Torsionsbeschleunigung auf die Kurbelwelle 22 angewendet wird, kann die resultierende Schwingungsantwortsignatur eine bestimmte Frequenz haben. Wenn der Motor fehlzündet oder es Spitzenfeuerungsdruck des Zylinders gibt, kann die sich daraus ergebende Schwingungssignatur eine andere Frequenz haben. Zudem kann jedes Motorereignis eines Zyklus, wie beispielsweise Einlass, Kompression, Leistung, Auslass, verschiedene Eingaben einschließen (z.B. Torsionsbeschleunigung, Spitzenfeuerungsdruck), was zu ähnlichen oder verschiedenen Vibrationsantwortsignaturen führen kann. Daher kann der Prozessor 72, wenn die Motorereignisse wieder mit Eingaben ähnlich zu den Referenzeingaben auftreten, die entsprechende Vibrationsantwortsignatur mit der Referenzvibrationsantwortsignatur vergleichen, um zu bestimmen, ob eine Bedingung des Antriebssystems 32 existiert.
Wenn sich die nachfolgende Schwingungsantwortsignatur von der Referenzschwingungsantwortsignatur für ähnliche Eingaben unterscheidet, kann der Prozessor 72 bestimmen, dass es ein Problem mit einer Komponente des Antriebssystems 32 gibt und eine vorbeugende Aktion, eine Vorhersage und/oder eine Diagnose durchführen (Block 170). In solchen Ausführungsformen kann der Prozessor 72 bestimmen, dass es ein allgemeines Problem mit dem Antriebssystem 72 gibt, ohne exakt zu charakterisieren, was das Problem sein kann. In solch einem Beispiel kann der Prozessor 72 eine vorbeugende Aktion durchführen abhängig von der Größe der Diskrepanz zwischen der nachfolgenden Vibrationsantwortsignatur und der Referenzvibrationsantwortsignatur, wie oben beschrieben. Wenn die Diskrepanz beispielsweise über einer Schwellenmenge oder einem Anteil ist, kann der Prozessor 72 den Motor 12 deaktivieren. In manchen Ausführungsformen, wenn die Diskrepanz relativ klein ist, kann der Prozessor 72 einen Alarm auf ein Display auf einem Benutzerschnittstellenbildschirm senden, welcher in der Steuerung 25 enthalten ist, einen Alarm an einen Bildschirm einer Arbeitsstation senden, Alarme über CAN und/oder OBD II-Schnittstellen übertragen, einen Audioalarm ausgeben oder eine Kombination davon. Zusätzlich kann der Prozessor 72 die Wartung planen, wenn die Diskrepanz in den Signaturen unterhalb einer Schwellenmenge ist, um die Stillstandzeit für den Kunden zu reduzieren. Auch kann ein Display einer Steuerung 25 oder einer damit verbundenen Mensch/Maschine-Schnittstelle (HMI) eine Abnutzungsrate des Antriebssystems 32 anzeigen, welche einem Benutzer eine Einsicht darüber bereitstellen kann, wann die Wartung geplant werden muss. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerung 25 Vorsorge für eine verbleibende Lebenszeit treffen, so dass das Teil in einer rechtzeitigen Weise ersetzt wird. Als solche ermöglichen die hierin offenbarten Techniken, die Wartung basierend auf dem Zustand des Antriebssystems 32 zu planen, im Gegensatz zu einer festen Zeitdauer, wie es durch planbasierte Überwachung ausgeführt wird.
In einigen Ausführungsformen kann der Prozessor 72 diagnostizieren, welche Komponente unter einem Zustand leidet, basierend auf Daten von den Sensoren 23. Beispielsweise kann es eine Vielzahl von Sensoren 23 geben, welche in dem gesamten Motor 12 angeordnet sind (z.B. lokal an dem Motor 12, manche angeordnet in derselben Ebene wie die Kurbelwelle 22) können die akustischen Resonanzen und/oder Schwingungssignaturen in bestimmten Teilen des Motors 12 stärker sein. Um dies zu veranschaulichen, können akustische Resonanz- und/oder Vibrationssignaturen, wenn ein Lager anstelle einer Kupplung ein Problem hat, in dem Kurbelfall stärker sein als auf der Antriebssystempaarungskupplung. Wenn allerdings die Kupplung ein Problem hat, wird der vierte Satz Sensoren (z.B. drei Sensoren 23 auf dem starren Halter, welcher die Kupplung umgibt), eine stärkere akustische Resonanz und/oder Schwingungssignaturen bereitstellen (beispielsweise wird die Amplitude mit einer schnelleren Rate wachsen als auf dem lokalen Motor 12). Von daher kann der Prozessor 73 das Gebiet des Antriebssystems 32 identifizieren, das ein Problem hat, was es einem Benutzer ermöglichen kann, eine Investition zu reduzieren und Zeit zu sparen.
In einigen Ausführungsformen kann der Prozessor 72, um eine Vorhersage oder eine Diagnose durchzuführen, eine Wissensdatenbank darüber aufbauen, welche Bedingungen bestimmte Impuls- und Antwortpaare bedeuten. In manchen Ausführungsformen können, um dies zu ermöglichen, Tests unter Verwendung mehrdimensionaler Modelle in Simulationen durch Modifizieren bestimmter Eingaben und/oder Eigenschaften der Komponenten des Antriebssystems 32 und Bestimmen der damit verbundenen Vibrationsantwortsignatur durchgeführt werden. Beispielsweise wurde in einer Simulation die Dicke des Gummielements einer Kupplung um etwa 20% reduziert und die sich daraus ergebende Frequenz der nachfolgenden Vibrationsantwortsignatur war ungefähr 5% höher. Daher kann der Prozessor 72, wenn ähnliche Eingaben verwendet werden und nachfolgende Vibrationsantwortsignaturen erhalten werden, die etwa 5% höher sind, eine Diagnose durchführen und bestimmen, dass die Dicke des Gummielements der Kopplung sich ausdünnt. Auf diese Weise können Tests durchgeführt werden, die Impuls- und Antwortpaarung zu erfassen, die bestimmte Bedingungen anzeigt, um eine Diagnose des Problems zu ermöglichen, wenn die Impuls- und Antwortpaarung während des Betriebs gesehen wird.
Zudem kann, wie zuvor diskutiert, der Prozessor 72 eine Vorhersage, basierend auf historischen Daten, durchführen, welche Bedingung in der Zukunft auftreten kann. Das heißt, der Prozessor 72 kann Impuls- und Antwortpaarungstrends speichern, die über die Zeit zu Problemen führen. Beispielsweise kann der Prozessor 72 historische Daten analysieren (z.B. Impuls- und Antwortpaarungen), um die Abnutzungsrate von Komponenten des Antriebssystems 32 (z.B. Kupplung) und basierend darauf zu bestimmen, ob der Motor 12 sich in der Zukunft ähnlich verhalten wird (z.B. einen ähnlichen Trend von Impuls- und Antwortpaarung zeigen wird), wobei der Prozessor 72 bestimmen kann, dass die Kopplung erwartet wird, ein bestimmtes Problem innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens zu entwickeln. Allerdings sollte es bemerkt werden, dass andere Faktoren die Vorhersage beeinflussen können, wie beispielsweise Brennstoffverschlechterung oder andere Faktoren, die die Verschlechterung der Komponenten beschleunigen können. Insofern kann die Vorhersage den Zeitrahmen mit Beschränkungen belegen, um zusätzliche Faktoren zu berücksichtigen.
6 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses 180 zum Bestimmen von Referenzen für Impuls- und Antwortpaarungen während bestimmten Motorereignissen, wie in dem Prozess 160 der 5 durchgeführt (z.B. Block 164). Der Prozess 180 kann als Computerinstruktionen gespeichert auf nicht flüchtigem computerlesbarem Medium (z.B. Speicher 74) und ausführbar durch den Prozessor 72 implementiert sein. Obwohl die folgende Beschreibung des Prozesses 180 mit Bezug auf den Prozessor 72 der Steuerung 25 beschrieben wird, sollte es bemerkt werden, dass der Prozess 180 durch andere Prozessoren, angeordnet auf anderen Geräten durchgeführt werden kann, welche dazu in der Lage sind, mit der Steuerung 25 und/oder den Sensoren 23 zu kommunizieren. Zusätzlich sollte es bemerkt werden, dass, obwohl die folgenden Prozesse 180 eine Anzahl von Tätigkeiten beschreibt, die durchgeführt werden können, dass der Prozess 180 in einer Vielzahl von geeigneten Abfolgen durchgeführt werden kann und dass nicht alle der Tätigkeiten durchgeführt werden können. Es sollte verstanden werden, dass der Prozess 180 vollständig durch die Steuerung 25 ausgeführt werden kann oder dass die Ausführung auf die Steuerung 25 und andere Geräte (z.B. Arbeitsstation) verteilt werden kann. Der Prozess 180 illustriert, wie verschiedene Eingänge miteinander kombiniert werden, um ein robustes und leistungsfähiges bedienungsbasiertes Überwachungssystem bereitzustellen.
Nun bezugnehmend auf den Prozess 180 kann der Prozessor 72 die Torsionsbeschleunigung/-entschleunigung der Kurbelwelle 22 basierend auf der Drehzahl (Block 82) und der Zeit bestimmen. Wie zuvor diskutiert, kann der erste Satz Sensoren 23 (z.B. eine Kurbelwellendrehzahl/Positionssensor) verwendet werden, um einen Puls für jeden Zahn, vorbeigezogen auf dem Zahnkranz, bereitzustellen und der Prozessor 72 kann die Drehzahl basierend auf den Pulsen bestimmen. Die Beschleunigung/Entschleunigung ist dann eine Ableitung der Drehzahl nach der Zeit. Entsprechend kann der Prozessor 72 die Ableitung der Drehzahl bezüglich der Zeit nehmen, um die Beschleunigung der Kurbelwelle 22 zu bestimmen, welche in eine Torsionsbeschleunigung/Entschleunigung quantifiziert werden kann. Zudem können die Pulse in manchen Ausführungsformen verwendet werden, um die Kurbelwellenwinkelposition basierend darauf zu bestimmen, auf welchem Zahn des Zahnkranzes fortgeschritten wird (z.B. Grad der Rotation). Der Prozessor 72 kann auch bestimmen, ob Vibrationen des zweiten Satzes von Sensoren 34 angeordnet auf dem Motor 12 (z.B. Zylinderköpfe 26) kennzeichnend für Fehlzündungsereignisse sind und/oder um den Spitzenfeuerungsdruck zu schätzen, um die Quantifizierung der Amplitude der Torsionsbelastung (Block 184) abzustützen. Das heißt, die Daten von dem zweiten Satz Sensoren 23 (z.B. Klopfsensoren) können verwendet werden, um dem Prozessor 72 eine ganzheitlichere Ansicht der Torsionsbelastungen bereitzustellen, die während verschiedenen Motorbedingungen auftreten (z.B. Fehlzündung, Spitzenfeuerungsdruck).
Der Prozessor 72 kann auch Daten von dem dritten Satz von Sensoren 23 verwenden, um die Zeiten der Motorereignisse verbunden mit der Torsionsbeschleunigung basierend auf der Kurbelwellenposition 22 zu bestimmen (Block 186). Motorereigniszeitvorgabeinformation zur Zündung kann durch den Prozessor 72 an den dritten Sensorsatz 23 bereitgestellt werden, so dass die Sensoren die Kurbelwellenposition einteilen können, wenn der Kolben 24 im TDC ist. Diese Information kann durch den Prozessor 72 verwendet werden, um zu ermitteln, welche Feuerungsereignisse in dem Motor 12 stattfinden und die Feuerungsreihenfolge der Zylinder 26 abzuleiten. Der Prozessor 72 kann auch eine Schwingungsantwortsignatur für die Eingaben (Block 188) bestimmen. Wie zuvor diskutiert, kann der vierte Satz Sensoren 23 auf dem starren Halter, welcher die Kopplung umgibt, welcher an die Kurbelwelle 22 gekoppelt ist, diese Daten bereitstellen. Als ein Ergebnis kann der Prozessor 72 die Eingaben verwenden, einschließlich der Feuerungsreihenfolge der Zylinder, welche Zylinder gerade gefeuert haben, die Bedingungen, unter denen die Zylinder gefeuert haben (z.B. Spitzenfeuerungsdruck), Menge an Torsionsbeschleunigung angewendet auf die Kurbelwelle 22 und die Antwort einschließlich einer Schwingungsantwortsignatur, die sich aus dem kombinierten Impuls ergab, um zu bestimmen, ob eine unerwünschte Bedingung mit dem Antriebssystem 32 existiert.
7 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses 200, welcher geeignet zum Bestimmen von Bedingungen des Motors 10, wie beispielsweise Fehlzündung des Zylinders 26, in Echtzeit, Ableiten bestimmter Parameter, wie beispielsweise eine Menge an Restgas in den Zylinder 26 und dann Durchführen bestimmter Tätigkeiten, wie beispielsweise Verzögern von Zündzeitpunkt und/oder Reduzieren von Brennstofflieferung ist, um eine Verbrennung in dem Zyklus folgend auf die erkannte Bedingung bereitzustellen, die zu Feuerungsdrücken führt, die innerhalb gewünschte Herstellerempfehlungen fällt, um daher die Motorlebenszeit zu verbessern. Der Prozess 200 kann als Computerinstruktionen implementiert sein, welche auf dem nicht flüchtigen computerlesbaren Medium (z.B. Speicher 74) gespeichert sind und ausführbar durch den Prozessor 72 sind. Obwohl die folgende Beschreibung des Prozesses 200 mit Bezug auf den Prozessor 72 der Steuerung 25 beschrieben wird, sollte es bemerkt werden, dass der Prozess 200 durch die anderen Prozessoren durchgeführt werden kann, welche auf anderen Geräten angeordnet sind, die fähig sind, mit der Steuerung 25 und/oder den Sensoren 23 zu kommunizieren. Zusätzlich, obwohl der folgende Prozess 200 eine Anzahl von Tätigkeiten beschreibt, die durchgeführt werden können, sollte es bemerkt werden, dass der Prozess 200 in einer Vielzahl von geeigneten Reihenfolgen durchgeführt werden kann und nicht alle der Tätigkeiten durchgeführt werden können. Es wird verstanden werden, dass der Prozess 200 vollständig durch die Steuerung 25 ausgeführt werden kann, oder die Ausführung kann auf die Steuerung 25 und ein anderes Gerät (z.B. Arbeitsstation) verteilt werden.
In der dargestellten Ausführungsform kann der Prozess 200 zunächst bestimmen (Block 202), ob eine interessierende Motorbedingung aufgetreten ist. Beispielsweise können die Techniken, die oben mit Bezug auf die Verwendung des Klopfsensor 23 beschrieben sind, verwendet werden, eine Fehlzündung eines oder mehrerer der Zylinder 26 zu detektieren. Entsprechend kann der Ionisationssensor 27 eine Fehlzündung durch Bereitstellen einer Spannung detektieren, und detektieren, wenn Stromfluss (z.B. Verbrennung) und wenn kein Stromfluss (z.B. keine Verbrennung) auftritt. Das heißt: Stromfluss basierend auf Ionisation während der Verbrennung kann während einer Fehlzündung verglichen mit einem Referenznichtfehlzündungsstromfluss verschieden sein. In ähnlicher Weise kann der Kapazitätssensor 29 während der Zündung die Spulenkapazität messen, und die Spulenkapazität kann dann verwendet werden, um Fehlzündungen zu detektieren. In bestimmten Ausführungsformen können die Sensoren 23, 27 und 29 Fehlzündungen in Echtzeit detektieren.
Sobald die Motorbedingung, z.B. Fehlzündung, detektiert wurde, können die Techniken, die hierin beschrieben sind, eine bestimmte Analyse anwenden, sowie beispielsweise Ableiten (204) eines oder mehrere Motorparameter. Die abgeleiteten Motorparameter können das Ableiten einer Menge von Restgas in dem Zylinder 26 ableiten, der die Fehlzündung hatte. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Heywood-Analyse der Restgaszusammensetzung wie folgt durchgeführt werden:
Unverbrannte Mischungszusammensetzung
Die Menge der Ladung, die in dem Zylinder 26 gefangen ist, kann mit m_c bezeichnet werden, wobei m_c die abgeleitete Masse pro Zyklus (m_i) plus die Restmasse (m_r), übrig geblieben aus dem vorigen Zyklus (z.B. Verbrennungszyklus) ist. Der Restanteil (x_r) ist: $x_{r} = \frac{m_{r}}{m_{c}}$
Wenn die abgeleitete Mischung Brennstoff und Luft ist (oder nur Luft), dann ist der Anteil verbrannten Gases x_b in der unverbrannten Mischung während der Kompression gleich dem Restgasanteil. In Abgasrückführungs(EGR)-Motoren kann der Anteil an Abgasrezirkulierung (EGR%) als der Anteil an der gesamten Einlassmischung festgelegt werden, welcher rezirkuliertes Abgas ist, $E G R (%) = (\frac{m_{E G R}}{m_{i}}) \times 100$
wobei m_EGR die Masse an rezirkuliertem Abgas ist. Der verbrannte Gasanteil in der frischen Mischung ist gegeben durch: $x_{b} = \frac{m_{E G R} + m_{r}}{m_{c}} = (\frac{E G R}{100}) (1 - x_{r}) + x_{r}$
Die Zusammensetzung des unverbrannten Gasanteils in der unverbrannten Mischung kann wie folgt berechnet werden. Die Verbrennungsgleichung für ein Kohlenwasserstoffbrennstoff von durchschnittlichen molaren H/C-Verhältnis y kann pro mol O₂ beschrieben werden als: $\begin{array}{l} g ϕ C + 2 (1 - g) ϕ H_{2} + O_{2} + ψ N_{2} \to n_{C O_{2}} C O_{2} + n_{H_{2} O} H_{2} O + n_{C O} C O + \\ n_{H_{2}} H_{2} + n_{O_{2}} O_{2} + n_{N_{2}} N_{2} \end{array}$
Wobei ψ = das molare N/O-Verhältnis (z.B. 3,773 für Luft)

$g = \frac{4}{4 + y}$
y = das molare H/C-Verhältnis des Brennstoffs
ϕ = Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis
n_i = Mole der Spezies I pro Mol O₂-Reaktant

Diese können unter den folgenden Annahmen bestimmt werden:

1. Für magere und stöchiometrische Mischungen (ϕ ≤ 1) können CO und H₂ vernachlässigt werden.
2. Für fette und stöchiometrische Mischungen (ϕ ≥ 1) kann O₂ vernachlässigt werden.

In bestimmten Ausführungsformen kann der Restgasmassenanteil x_r und/oder der Anteil an verbranntem Gas x_b durch Messen einer CO₂-Konzentration in einer Gasprobe abgeleitet werden, welche aus dem fehlzündenden Zylinder 26 aufgenommen ist, beispielsweise während des Kompressionstaktes. Die CO₂-Konzentration kann mit der folgenden Gleichung verwendet werden: $x_{r} = \frac{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) c}{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) e}$
Die Indizierung c und e geben Kompression bzw. Auslass an und x̃_CO
2 sind Molanteile in Feuchtgas. Um Feuchtgas in Trockengas umzuwandeln, kann ein Korrekturfaktor K verwendet werden: $K = \frac{({\tilde{x}}_{i}) f e u c h t}{({\tilde{x}}_{i}) t r o c k e n} = \frac{1}{1 + 0.5 [y ({\tilde{x}}_{C O_{2}}^{*} + x_{C O}^{*}) - 0.74 {\tilde{x}}_{C O}^{*}]}$
wobei y das molare Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis des Brennstoffs ist und ${\tilde{x}}_{C O_{2}}^{*}, {\tilde{x}}_{C O}^{*}$
trockene Molanteile sind. Entsprechend kann x_r abgeleitet werden. Tatsächlich können die Techniken, die hierin beschrieben sind (Block 206) eine Menge an Restgas in den Zylinder 26 ableiten und dann die Motorsteuerung basierend auf der abgeleiteten Menge einstellen (Block 208). In einer Ausführungsform können die Abweichungen auf existierende Nachschlagetabellen angewendet werden. Beispielsweise kann eine existierende Nachschlagetabelle die Zeit (z.B. Kurbelwellenwinkel) auf verschiedene Steuerungstätigkeiten, wie beispielsweise Pumpenzündung, hinzuzufügende Brennstoffmenge, hinzuzufügendes Oxidationsmittel usw. für die Verbrennung abbilden. Durch Hinzufügen eines Abweichungswertes (welcher negative Werte einschließen kann) basierend auf Restgasmenge zu einer oder mehreren der zuvor erwähnten Tätigkeiten (z.B. Funkenzündung, Brennstoffmenge, Oxidationsmittel usw.) können die Techniken, die hierin beschrieben sind, die Steuerung basierend darauf einstellen, wie viel Restgas nach einer Fehlzündung übrig gelassen sein kann, so dass das nächste Verbrennungsereignis zu einer verbesserten Verbrennung führen kann, die in eine Herstellerempfehlung fallen kann. In einer anderen Ausführungsform können Nachschlagetabellen, welche die Abweichung schon einschließen, verwendet werden. Das heißt, Nachschlagetabellen können erzeugt werden, welche beispielsweise Reihen oder Spalten für Restgas einschließen, welche nach einer Fehlzündung gefunden werden können. Zusätzlich zu Reihen oder Spalten für Zündzeitpunkt, Brennstoffmengen, Oxidationsmittelmengen, usw.
In noch einer anderen Ausführungsform können Einstellungen (Block 208) basierend auf dem Ableiten einer Zündzeitpunktverzögerung basierend auf einer oder mehreren Gleichungen angewendet werden, die als Eingang das abgeleitete Restgas in dem Zylinder 26 verwenden, um als einen Ausgang eine Zündzeitpunktverzögerung bereitzustellen. Die Gleichungen können beispielsweise abgeleitet werden, um die Größe des Zylinders 26, die Betriebs-RPM, Temperaturen des Motors 10, Drücke, Ströme (z.B. Abgasstrom, Brennstoffstrom) usw. Die Gleichungen können Gleichungen einschließen, welche sich auf die Zeit beziehen, um den Zylinder 26, der fehlzünden kann, mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel basierend auf schon vorhandenem Restgas zu füllen. Andere Gleichungen können physikbasierte Gleichungen sein (z.B. ideales Gasgesetz, Boyles Gesetz, Daltons Gesetz, Charles Gesetz, Avogadros Gesetz, usw.). Entsprechend können die hierin beschriebenen Techniken nach dem Ableiten (Block 204), dass eine Fehlzündung aufgetreten ist und dann dem Ableiten (Block 206), dass ein Restgas vorhanden in dem fehlzündenden Zylinder 26 vorhanden ist, die Steuerung (Block 208) des Motors 10 einstellen, so dass das Verbrennungsereignis folgend auf die Fehlzündung bei Zylinderdrücken innerhalb Bereichen sein kann, als wäre die Fehlzündung nicht aufgetreten.
Die technischen Effekte schließen das Detektieren von Zylinderfehlzündungen in Echtzeit durch einen oder mehrere Sensoren eines oder mehrerer verschiedener Typen (z.B. Klopfsensor, Kapazitätssensor, Ionisationssensor, oder einer Kombination davon) ein und dann beispielsweise eine Menge an Restgas nach einer Fehlzündung abzuleiten. Die technischen Effekte schließen ferner das Einstellen von Motorsteuerung beispielsweise durch Verzögerung von Funkenzündung durch Einstellen von Brennstoffstrom, durch Einstellen von Oxidationsmittelstrom oder eine Kombination davon ein, basierend auf der Menge an Restgas in dem fehlzündenden Zylinder. Die Einstellung kann durchgeführt werden, so dass die Verbrennung, welche auf die Fehlzündung folgt, zu Spitzendrücken innerhalb von Herstellerspezifikationen führt, anstatt von Hochspitzendrücken, so dass die Motorleistung verbessert wird und die Motorlebenszeit erhöht wird.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die vorliegende Offenbarung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Ein System schließt ein Steuerungssystem ein, welches dazu eingerichtet ist, Betriebsbedingungen in wenigstens einem ersten Zylinder 26 eines Hubkolbenmotors zu überwachen und den Hubkolbenmotor 10 zu steuern, wobei das Steuerungssystem einen ersten Sensor 23, 27, 29, 66 einschließt, welcher dazu eingerichtet ist, einen ersten Typ an Betriebsbedingungen des ersten Zylinders 26 zu überwachen und eine Steuerung 25, welche kommunikativ mit dem ersten Sensor 23, 27, 29, 66 gekoppelt ist. Die Steuerung 25 ist dazu eingerichtet, ein erstes Signal zu empfangen, das eine erste Messung des ersten Typs Betriebsbedingungen von dem ersten Sensor 23, 27, 29, 66 kennzeichnet; das erste Signal zu analysieren, um eine Fehlzündungsbedingung in dem ersten Zylinder zu erkennen; eine Menge an Restgas in dem ersten Zylinder abzuleiten, wenn die Fehlzündungsbedingung erfasst wurde; und 26 die Steuerung des Hubkolbenmotors 10 basierend auf der Menge an Restgas einzustellen.
Bezugszeichenliste

8: Leistungserzeugungssystem
10: Motor
12: Verbrennungskammern
14: Luftlieferung
16: Oxidationsmittel
18: Brennstoff
19: Brennstofflieferung
20: Kolben
25: Motorsteuerungseinheit (ECU)
26: Zylinder
22: Schaft
24: Last
23: Klopfsensoren
66: Kurbelwellensensoren
27: Ionisationssensor
31: Zündkerzensystem
28: Innere ringförmige Wand
30: Zylindrischer Hohlraum
34: Richtung
36: Richtung
38: Richtung
40: Oberer Teil
32: Brennstoff/Luft-Mischung
54: Kurbelwelle
56: Verbindungsstab
58: Pin
62: Einlassventil
64: Auslassventil
29: Kapazitätssensor
72: Prozessor
74: Speicher
132: Antriebssystem
142: Schwungrad
144: Kurbelwellenzapfen
146: Nabe
148: Schaft
150: Feste Halterung
152: Kupplung
160: Prozess
162: Block
164: Block
166: Block
170: Block
73: Prozessor
180: Prozess
82: Block
184: Block
186: Block
188: Block
200: Prozess
202: Block
204: Block
206: Block
208: Block

Claims

System, aufweisen: Ein Steuerungssystem, das dazu eingerichtet ist, Betriebsbedingungen in wenigstens einem ersten Zylinder (26) eines Hubkolbenmotors (10) zu überwachen und den Hubkolbenmotor (25) zu steuern, wobei das Steuerungssystem aufweist: einen ersten Sensor (23, 27, 29, 66), welcher dazu eingerichtet ist, einen ersten Typ an Betriebsbedingungen des ersten Zylinders (26) zu überwachen; eine Steuerung (25), welche kommunikativ mit dem ersten Sensor (23, 27, 29, 66) gekoppelt ist, wobei die Steuerung (25) dazu eingerichtet ist: ein erstes Signal, kennzeichnend für eine erste Messung eines ersten Typs an Betriebsbedingungen von dem ersten Sensor (23, 27, 29, 66) zu empfangen; das erste Signal zu analysieren, um eine Fehlzündungsbedingung in dem ersten Zylinder (26) zu detektieren; eine Menge an Restgas in dem ersten Zylinder (26) abzuleiten, wenn die Fehlzündungsbedingung detektiert wird; und die Steuerung des Hubkolbenmotors (10) basierend auf der Menge an Restgas einzustellen.
Das System nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (23, 27, 29, 66) einen ersten Klopfsensor (23) aufweist.
Das System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (25) dazu eingerichtet ist, das erste Signal zu analysieren, um die Fehlzündungsbedingung zu detektieren, durch: Erlangen eines Referenzimpulses und einer Referenzantwortsignatur für Ereignisse des Motors (10); Erlangen von nachfolgenden Daten von einer Vielzahl von Sensoren (23, 27, 29, 66), angeordnet auf einem Motor (10); Ableiten eines darauf folgenden Pulses und einer darauffolgenden Antwortsignatur für Ereignisse des Motors (10), basierend auf nachfolgenden Daten; und Bestimmen, ob sich die nachfolgende Antwortsignatur von der Referenzantwortsignatur für nachfolgende und Referenzimpulse bei entsprechenden Ereignissen des Motors (10) unterscheidet.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Sensor (23, 27, 29, 66) einen Kapazitätssensor (29) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, Fehlzündung aufgrund von Veränderungen in der Zündspulenkapazität, einem Ionisationssensor (27), eingerichtet zum Erfassen von Veränderungen des Stromflusses während der Verbrennung über Ionisation oder einer Kombination davon zu erkennen.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (25) dazu eingerichtet ist, die Menge an Restgas in dem ersten Zylinder über eine Restanteilsableitung abzuleiten.
System nach Anspruch 5, wobei der Restanteil aufweist $x_{r} = \frac{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) c}{({\tilde{x}}_{C O_{2}}) e}$
wobei x_r ein Restanteil ist und c und e Kompression bzw. Auslass kennzeichnet und x̃_CO
2 Molanteile in einem Feuchtgas sind.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend Anwenden eines Korrekturfaktors K, um das Feuchtgas in ein Trockengas umzuwandeln, wobei $K = \frac{({\tilde{x}}_{i}) f e u c h t}{({\tilde{x}}_{i}) t r o c k e n} = \frac{1}{1 + 0.5 [y ({\tilde{x}}_{C O_{2}}^{*} + x_{C O}^{*}) - 0.74 {\tilde{x}}_{C O}^{*}]}$
wobei y ein molares Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis eines Brennstoffs für den Hubkolbenmotor ist und ${\tilde{x}}_{C O_{2}}^{*}, {\tilde{x}}_{C O}^{*}$
trockene Molanteile sind.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (25) dazu eingerichtet ist, die Steuerung des Motors (10) durch Verzögerung von Funkenzündung einzustellen.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (25) dazu eingerichtet ist, die Steuerung des Motors (10) durch Einstellen von Brennstofffluss, Oxidationsmittelfluss oder einer Kombination davon einzustellen.
Verfahren zum Steuern eines Motors (10) aufweisend: Empfangen eines ersten Signals kennzeichnend für eine erste Messung eines ersten Typs an Betriebsbedingung von einem ersten Sensor (23, 27, 29, 66), wobei der erste Sensor (23, 27, 29, 66) dazu eingerichtet ist, einen ersten Typ Betriebsbedingung eines ersten Zylinders (26) eines Hubkolbenmotors (10) zu überwachen; Analysieren des ersten Signals um eine Fehlzündungsbedingung in dem ersten Zylinder (10) zu erfassen; Ableiten einer Menge von Restgas in dem ersten Zylinder (26), wenn die Fehlzündungsbedingung erkannt ist; und Einstellen der Steuerung des Hubkolbenmotors (10) basierend auf der Menge an Restgas.