DK146422B

DK146422B - INDUCTIVE FEATURES FOR MONITORING CYLINDER LINES, STAMPS AND Piston RINGS IN COMBUSTION ENGINES

Info

Publication number: DK146422B
Application number: DK407776AA
Authority: DK
Inventors: Rudolf Hatschek
Original assignee: Vibro Meter Ag
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1983-10-03
Also published as: FR2325905A1; CH602980A5; FR2325905B1; GB1557786A; DK146422C; NL7610702A; NO763290L; DK407776A; ATA674076A; NL173211C; JPS5241549A; AT362168B

Description

i 146422 1 Opfindelsen angår en induktiv føler til .overvågning af cylinderforinger, stempler og stempelringe i forbrændingsmotorer og af den i krav l’s indledning angivne art.The invention relates to an inductive sensor for monitoring cylinder liners, pistons and piston rings in internal combustion engines and of the kind specified in the preamble of claim 1.

55

Ved forbrændingsmotorer, navnlig ved store motorer, er det nødvendigt for at sikre en økonomisk drift og for at undgå større skader, at tilstanden af, sliddet på og arbejdet af cylinderforingerne, stemplerne og stempelrin-10 gene bliver løbende overvåget. Kun på den måde er det muligt ved en svigten eller ved et slid af en forudbestemt størrelse rettidigt at udskifte de nødvendige dele, før der opstår en større skade. Blandt forskellige metoder har man allerede i længere tid til overvåg-15 ning af stempelringe kendt anvendelsen af induktive afstandsfølere, der arbejder berøringsløst. Derved får man dog praktiske vanskeligheder ved, at følerne må føres gennem cylindervæggen og som følge af utilstrækkelig afskærmning over for tryk og temperaturpåvirkninger 20 ikke giver tilstrækkelig driftssikkerhed. Dette fører til, at motoren må standses ved opstående defekter, hvorved man ikke kan opnå hovedmålet, nemlig en nedsættelse af ikke planlagte driftsafbrydelser ved en målbestemt overvågning.For internal combustion engines, especially for large engines, it is necessary to ensure economical operation and to avoid major damage, that the condition, wear and operation of the cylinder liners, pistons and piston rows are continuously monitored. Only in this way is it possible to replace the necessary parts in time in the event of a failure or a wear of a predetermined size before a major damage occurs. Among various methods, the use of inductive distance sensors that operate without contact has long been known for monitoring piston rings. Thereby, however, practical difficulties arise in that the sensors must be passed through the cylinder wall and, due to insufficient shielding against pressure and temperature effects 20, do not provide sufficient operational safety. This means that the engine must be stopped by any defects that cannot be achieved, ie a reduction of unplanned interruptions by a targeted monitoring.

25 Sådanne induktive følere har i almindelighed en kerne, en om kernen viklet spole og en metalkappe, og kappen og kernen rager omtrent 2 mm frem over spolen. Til en god beskyttelse af spoler bliver mellemrummet mellem 30 kappen og kernen ofte udstøbt med en kunstharpiksmasse.Such inductive sensors generally have a core, a coil wound around the core and a metal sheath, and the sheath and core project about 2 mm above the coil. For good coil protection, the gap between the sheath and the core is often molded with an artificial resin mass.

Ved indbygningen af en sådan føler i en cylinder opstår der dog store praktiske vanskeligheder, da der i cylinderen hersker dels høje temperaturer, dels høje tryk.When incorporating such a sensor in a cylinder, however, great practical difficulties arise, since in the cylinder high temperatures and high pressures prevail.

35 Da en berøringsløs afstandsmåling med induktive følere 2 146422 1 sker ved, at kraftliniefluxen mellem hus og kerne uden for føleren ændres, når metalliske stoffer nærmer sig, må man undgå, at der allerede på grund af målehovedet opstår en magnetisk kortslutning og dermed uden for 5 kappen ikke mere findes noget følsomt målefelt. Det betyder, at målehovedafslutningen kun må være magnetisk permeabel i aksial retning, men ikke eller kun lidt magnetisk permeabel i radial retning. Por at opfylde disse betingelser er der allerede blevet foretaget for-10 søg på at beskytte målehovedet ved hjælp af plastik eller anden kunststof, men forsøgene viste hurtigt, at sådanne målehoveder forstyrrede driftsegenskaberne i cylinderen, og at motoren dermed oftere måtte standses.35 As a contactless distance measurement with inductive sensors 2 occurs when the power line flux between the housing and the core outside the sensor changes as metallic substances approach, it must be avoided that already due to the measuring head a magnetic short circuit and thus outside 5 no more sensitive measurement field exists. This means that the measuring head termination may only be magnetically permeable in the axial direction, but not or only slightly magnetically permeable in the radial direction. To meet these conditions, attempts have already been made to protect the measuring head by means of plastic or other plastics, but the tests quickly showed that such measuring heads disturbed the operating characteristics of the cylinder and that the engine had to be stopped more often.

Et afgørende skridt fremad nåede man ved den erkendel-15 se, at det var muligt at erstatte kunstharpiks eller plastikmasse med et magnetisk ikke ledende metal. Ved anvendelse af metal som fyldning mellem den metalliske kappe og den metalliske kerne kunne man for første gang tænke på at indbygge induktive målegivere direkte 20 i en motorcylinder, uden at påvirke motorens driftssikkerhed.A crucial step forward was the realization that it was possible to replace artificial resin or plastic pulp with a magnetic non-conductive metal. When using metal as a filler between the metallic sheath and the metallic core, for the first time one could think of incorporating inductive measuring sensors directly 20 into a motor cylinder, without affecting the engine's reliability.

Fra tysk patentskrift nr. 975 225 og fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 1 004 587 kendes der en indretning til 25 induktiv spaltemåling i gas- og dampturbiner, hvilken indretning har en mod maskinens indre visende afslutning af metal, der er væsentlig mere modstandsdygtig end en tidligere anvendt afslutning med en plastikmel-lemring.German Patent Specification No. 975,225 and German Patent Specification No. 1,004,587 discloses a device for 25 inductive slit measurement in gas and steam turbines, which has a metal end-facing end of the machine that is substantially more resistant than a previous one. applied termination with a plastic flour relief.

3030

Denne kendte indretning kræver dog blandt andet en forholdsvis tyndvægget afslutning og er derfor ikke egnet til at føres gennem en cylindervæg og udsættes for slid som en del af denne væg.However, this known device requires, inter alia, a relatively thin walled finish and is therefore not suitable for passing through a cylinder wall and is subject to wear as part of this wall.

35 146422 3 1 Den foreliggende opfindelse tager sigte på at angive en induktiv føler af den ovenfor nævnte art, ved hvilken de nævnte ulemper er' undgået, idet føleren på den ene side er i stand til kontinuerlig at levere måle-5 værdier over tilstande såsom: Slid på cylinderforinger, stempler eller stempelringg, stempelringblokering eller stempelringbrud, og på den anden side ikke har nogen u-heldig indvirkning på motorens driftssikkerhed og desuden er opbygget meget enkelt.It is an object of the present invention to provide an inductive sensor of the aforementioned kind in which said disadvantages are avoided, on the one hand being able to continuously provide measured values over conditions such as : Wear of cylinder liners, pistons or piston ring, piston ring blockage or piston ring break, and on the other hand has no adverse effect on the engine's reliability and is additionally very simple.

1010

Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at føleren er udformet som angivet i krav l’s kendetegnende del.This is achieved according to the invention in that the sensor is designed as defined in claim 1.

Ved denne udformning opnår man, at man, når man ønsker 15 det, kan udtage og atter indskrue føleren i hylstret, der i forvejen er indskruet i motorcylinderen. Det er således muligt at- udtage føleren uden at standse motoren. Tillige opnår man, idet bunden i hylstret gøres tilstrækkelig tyk, således,at føleren, selv om den ud-20 sættes for sliddet fra måleobjektet, fortsat kan fungere.In this embodiment, it is achieved that, when desired, it is possible to remove and re-screw the sensor into the casing, which is already screwed into the motor cylinder. It is thus possible to remove the sensor without stopping the motor. In addition, the bottom of the casing is made sufficiently thick so that the sensor, even if exposed to wear from the measuring object, can continue to function.

Ved udformning af føleren som angivet i krav 2 opnår man en lettelse af fabrikationen.By designing the sensor as claimed in claim 2, fabrication is facilitated.

2525

Ved udformning af føleren som angivet i krav 3 kan man på en let måde opfylde de mekaniske krav, der stilles til føleren.In designing the sensor as set forth in claim 3, the mechanical demands made on the sensor can be easily met.

30 Ved at udforme føleren som angivet i krav 4 eller 5> får man nogle i .praksis meget anvendelige følere, der har de nødvendige mekaniske egenskaber.By designing the sensor as claimed in claim 4 or 5, some highly practical sensors having the necessary mechanical properties are obtained in practice.

Opfindelsen forklares nærmere under henvisning til teg-35 ningen, på hvilken 4 146422 1 fig. 1 viser en føler ifølge opfindelsen med ge vind til iskruning i en cylindervæg, fig. 2 viser en føler ifølge opfindelsen med flan-5 ger til fastgøring, fig. 3 viser følerens anbringelse i cylindervæggen, fig. 4 viser et snit i en indbygget føler ifølge 10 opfindelsen, og fig. 5 viser skematisk signaler fra forskellige stempelringe målt med føleren ifølge opfindelsen.The invention will be further explained with reference to the drawing, in which: FIG. 1 shows a sensor according to the invention with a windscreen for ice screwing in a cylinder wall; FIG. 2 shows a sensor according to the invention with flanges for fastening; FIG. 3 shows the position of the sensor in the cylinder wall; FIG. 4 is a sectional view of a built-in sensor according to the invention, and FIG. 5 schematically shows signals from different piston rings measured with the sensor according to the invention.

15 I fig. 1 er vist en i to dele udført målegiver ifølge opfindelsen. Den første del består af et hylsterrør 11, 15j 16, hvilket rør er forbundet med en mellemring 17, og mellemrummet omfatter et kernestykke 18 og har en 20 afsats 19. I dette hylster med metalbund bliver en gængs måleføler med kappe 20, kerne 21, spole 3 og tilledninger 5 indsat, og denne indsætning kan ske efter indlejring og efter tilpasning af hylstret i cylindervæggen.In FIG. 1, a measuring sensor according to the invention is shown in two parts. The first part consists of a casing tube 11, 15j 16, which tube is connected to an intermediate ring 17, and the space comprises a core piece 18 and has a ledge 19. In this metal bottom casing, a common measuring sensor with casing 20, core 21, coil 3 and leads 5 inserted, and this insertion can be made after embedding and after fitting the casing in the cylinder wall.

25 På analog måde muliggør den senere indbygning også en udbygning af måleføleren uden at forstyrre driften, dvs. uden at motoren skal standses. Ved en videre udvikling af denne tanke, fig. 2, anvendes et hylster 22, der ligner hylstret i fig. 1 og har fastgørelseshuller 23. I 30 modsætning til fig. 1 omfatter en mellemring 24 her ikke blot et kernestykke, men hele kernen 25, så at hylstret består af hylsterrøret 22 og den en mellemringen 24 og kernen 25 dannede hylsterbund. Dette hylster kan som i det foregående eksempel være indføjet i cylinder-35 væggen, mens føleren uden kerne indføres senere eller også kan udskiftes under motorens drift, idet bunden 5 146422 1 kan have en tykkelse på ea. 5-10 mm, fortrinsvis 7 mm.25 In an analogous manner, the later incorporation also allows an extension of the measuring sensor without disturbing the operation, ie. without stopping the engine. In a further development of this thought, fig. 2, a casing 22 similar to the casing of FIG. 1 and has attachment holes 23. In contrast to FIG. 1, an intermediate ring 24 here comprises not only a core piece, but the entire core 25, so that the casing consists of the casing tube 22 and the casing base formed by an intermediate ring 24 and the core 25. This sleeve can be inserted into the cylinder wall as in the previous example, while the sensor without core is inserted later or can also be replaced during engine operation, the bottom having a thickness of ea. 5-10 mm, preferably 7 mm.

Alt efter anvendelsesformålet kan man tænke sig hylsteret 36 fremstillet af et stort antal forskellige materialer, men for de bestemte anvendelsesformål til motorer, har en crom-molybdæn-legering som fx X35Cr!4ol7 5 vist sig velegnet, og en ikke magnetisk ledende nikkellegering af 75? nikkel, 16% Cr og 7% Fe, hvor resten er andre metaller, såsom titan, molybdæn og lignende, kendt under handelsnavnet Inconel 600 vist sig velegnet, idet de mekaniske krav herved fuldt ud kan opfyldes.Depending on the application, the casing 36 may be made of a wide variety of materials, but for the particular applications for motors, a chromium-molybdenum alloy such as X35Cr4.47 has proved suitable and a non-magnetically conductive nickel alloy of 75 ? nickel, 16% Cr and 7% Fe, the rest being other metals such as titanium, molybdenum and the like, known under the trade name Inconel 600, proved to be suitable as the mechanical requirements can be fully met.

10 I de i ansøgningen omtalte udførelsesformer anvendes der derfor disse materialer. Kernen 18 eller 25 består på kendt måde af et egnet ferromagnetisk materiale.Therefore, in the embodiments mentioned in the application, these materials are used. The core 18 or 25 consists in a known manner of a suitable ferromagnetic material.

På tegningens fig. 1 og 2 ses desuden tilledninger 5 15 til spolen 3.In the drawing FIG. 1 and 2, in addition, leads 5 to the coil 3 are seen.

Samlingen mellem ringen 17 eller 24 og hylsteret 11 eller 22 er udført ved lodning eller elektronstrålesvejs-ning for at danne en tæt og solid samling.The joint between the ring 17 or 24 and the casing 11 or 22 is made by soldering or electron beam welding to form a tight and solid joint.

Det er til visse udføreIsesformer fordelagtigt, at hyl-20 steret, navnlig hylsterbunden, fremstilles af et sintermetal.It is advantageous in certain embodiments that the casing, in particular the casing base, is made of a sinter metal.

Den nedenfor beskrevne induktive føler kan anvendes til måling i cylinderforinger i en forbrændingsmotor, uden at driftssikkerheden af motoren bliver truet, og uden 25 at stilstandstiden for motoren bliver forøget.The inductive sensor described below can be used for measurement in cylinder liners in an internal combustion engine without endangering the reliability of the engine and without increasing the downtime of the engine.

Fig. 3 viser en følerposition i cylinderforingen i en motor. Der er vist en induktiv føler 26, som er fastgjort i cylinderforingen 27. I denne foring findes der et stempel 28 med stempelringe 29. Da de øvrige dele 30 ikke er væsentlige for opfindelsen, bliver de ikke nærmere beskrevet her.FIG. 3 shows a sensor position in the cylinder liner of an engine. An inductive sensor 26 is shown which is fixed in the cylinder liner 27. In this liner there is a piston 28 with piston rings 29. Since the other parts 30 are not essential to the invention, they are not described in detail here.

6 146422 1 I fig. 4 er vist en del af et stempel 28 og en stempelring 29, der befinder sig i en stempelnot 30, og som lægger sig an mod cylinderens foring 27. Den induktive føler 31 er fastgjort i cylinderforingen 27 og i cylin-5 derblokken 32, og mellem de to dele findes der et kølevandsrum 33. Por at beskytte føleren mod kølevand findes der et beskyttelsesrør 34 og en aftætning ved hjælp af to O-ringe 35- Hylstret 36 indlejres først tæt og drejningssikkert i cylinderforingen 27, og bunden 37 10 på hylstret bearbejdes således, at overfladen flugter med cylinderboringen. Derved vælges positionen af hylstret i cylinderen, som det fremgår af fig. 3, således, at samtlige stempelringe, der skal overvåges, i stemplets øverste position ligger over føleren, og at rin-15 gene ved stemplets nedadbevægelse passerer forbi det nævnte sted. Hylsteropbygningen svarer omtrent til den i fig. 1, med anvendelse af de ovenfor nævnte materialer. Efter fastgørelse og sikring af hylstret indføres beskyttelsesrøret 34 i kølevandsområdet, og føleren 38 20 indføres i hylstret 36 og fikseres med en fjeder 39 og en spændeskrue 40 i cylinderblokken 32. I dette tilfælde er tilledningerne 5 anbragt i en metalslange 41. Af den foranstående beskrivelse vil det fremgå, at føleren 38 i tilfælde af behov uden videre kan udskiftes, idet 25 styrken og tætheden af hylstret 36 sikrer en uindskrænket funktion af cylinderen og dermed af motoren. Med de materialer, der er valgt til en forstyrrelsesfri motordrift, kan en vis magnetisk restledeevne af hylsterbunden i radial retning ikke undgås, men der kan 30 dog f.eks. med en vægtykkelse på 7 mm af hylsterbunden fås signaler mellem 2 og 10 volt ved forstærkerens udgang, når føleren fødes med en bærefrekvens på 8 kHz. Bearbejdningen af signalerne sker på i og for sig kendt måde.In FIG. 4 is shown a portion of a piston 28 and a piston ring 29 which is in a piston groove 30 and which abuts against the casing liner 27. The inductive sensor 31 is secured in the cylinder liner 27 and in the cylinder block 32, and between the two parts there is a cooling water compartment 33. To protect the sensor from cooling water there is a protective tube 34 and a seal by means of two O-rings 35. The casing 36 is first sealed tightly and pivotally in the cylinder liner 27, and the bottom 37 10 of the casing. machined so that the surface aligns with the cylinder bore. Thereby, the position of the casing in the cylinder is selected as shown in FIG. 3, so that all piston rings to be monitored in the upper position of the piston are above the sensor and that the rings, in the downward movement of the piston, pass past said location. The casing structure is approximately similar to that of FIG. 1, using the materials mentioned above. After securing and securing the sheath, the protective tube 34 is inserted into the cooling water region and the sensor 38 20 is inserted into the sheath 36 and fixed with a spring 39 and a tightening screw 40 in the cylinder block 32. In this case, the leads 5 are arranged in a metal hose 41. Of the foregoing description it will be seen that in case of need the sensor 38 can be readily replaced, the strength and density of the casing 36 ensuring an unrestricted function of the cylinder and thus of the motor. With the materials selected for uninterrupted motor operation, a certain magnetic residual conductivity of the casing bottom in the radial direction cannot be avoided, however, e.g. with a wall thickness of 7 mm of the casing bottom, signals between 2 and 10 volts are obtained at the output of the amplifier when the sensor is fed at a carrier frequency of 8 kHz. The processing of the signals takes place in a manner known per se.

3535

Ved målingen går man ud fra den kendsgerning, at stem- 7 146422 1 pelringene som følge af deres mekaniske forspænding glider forbi følerhylstret med en afstand nul. Ved et forhåndenværende stempelspillerum opstår der ved hvert stempelslag et dynamisk signal, der afbilder alle stem-5 pelringe. Ved en drejningsbevægelse af ringene under driften vil ringlåsen med visse tidsmellemrum befinde sig foran føleren, hvorved der i stedet for et ringsignal fås et negativt, mere bredt notsignal. Hermed er en overvågning af drejningsbevægelsen og dermed af rin-j_0 gens frihed sikret. Ved brud påen ring er forspændingen ophævet, og. det pågældende signal er derfor variabelt indtil nul. Ved stærkt slid på en cylindervæg og et stempel vokser det ellers normale ringsignal i amplitude, da spalten mellem stemplet og cylindervæggen samt ^5 hylsterbunden er forøget. Belægningen af stempelringene med metaller, såsom krom eller kobber eller med keramik har en tydelig indflydelse på højden af ringsignalet. Således viser f.eks. forkromede ringe med tiltagende kromlagtykkelse stadig mindre signaler, mens 20 kobber forårsager et negativt signal. Keramik selv kan ikke måles, men derimod giver en ring, der er belagt med keramik, et signal, der svarer til den metalflade, der findes under keramikken.The measurement assumes that due to their mechanical bias, the piston rings slide past the sensor casing at a distance of zero. In the case of an existing piston column, a dynamic signal is generated at each piston stroke which maps all piston rings. In a rotational movement of the rings during operation, the ring lock will be in front of the sensor at certain time intervals, whereby instead of a ring signal a negative, wider groove signal is obtained. This ensures a monitoring of the rotational movement and thus of the freedom of the ring. When the ring is broken, the bias is removed, and. the signal in question is therefore variable up to zero. With heavy wear on a cylinder wall and piston, the otherwise normal ring signal increases in amplitude, as the gap between the piston and the cylinder wall as well as the ^ 5 casing bottom is increased. The coating of the piston rings with metals such as chrome or copper or with ceramics has a clear influence on the height of the ring signal. Thus, e.g. chrome-plated rings with increasing chrome layer thickness make ever smaller signals, while 20 copper causes a negative signal. Ceramics themselves cannot be measured, but on the other hand, a ring coated with ceramics gives a signal that corresponds to the metal surface found under the ceramic.

25 De ovenfor skildrede forhold er vist skematisk i fig. 5. Nullinien i denne figur svarer til aåstanden mellem hylsterbunden og stempelbunden. Det første ringsignal,A, er frembragt af en forkromet (0,4 mm), det andet, B, af en keramikbelagt, og det tredie, C, af en normal grå-30 godsstøbering. Det næste negative signal, D, viser en ringlås, derefter følger igen en ikke belagt grågods-støbering, E. Det sidste signal, F, er endelig dannet af en kobberbelagt ring og er meget tydelig negativt, selv om ringens overflade berører hylsterbunden.The conditions depicted above are shown schematically in FIG. 5. The zero line in this figure corresponds to the state between the casing bottom and the piston bottom. The first ring signal, A, is produced by a chromed (0.4 mm), the second, B, by a ceramic-coated, and the third, C, by a normal gray-casting. The next negative signal, D, shows a ring lock, then again follows an uncoated gray goods casting, E. The last signal, F, is finally formed by a copper-coated ring and is very clearly negative, although the surface of the ring touches the casing bottom.

5555

Claims

146422

An inductive sensor for monitoring cylinder liners, pistons and piston rings in internal combustion engines, the sensor of which is inserted into the cylinder wall (27, 32) of the closure (37) of metal parts having different magnetic properties at the end facing the cylinder. by means of which sensor a distance between the sensor surface and the measuring object can be measured, characterized in that the closure forms a solid bottom (37) in a casing (11, 22, 36) inserted in the cylinder wall (27) of the motor, and that said bottom consists of a ring (17, 24) of non-magnetic conductive material, and of the end of a core 15 (iB, 25) firmly connected to said ring, and that said bottom (37) has such a thickness, that it can be embedded in the cylinder wall (27) and subjected to the same wear as the other cylinder wall, and that the sensor (3) is adapted to be screwed into the casing without a core. 20

1 PATENT REQUIREMENT

The inductive sensor according to claim 1, characterized in that the ring (17, 24) is made of sintered metal.

3. Inductive sensor according to claim 1, characterized in that the casing (36) is made of a chromium-molybdenum alloy, for example X35CrMol7 and the ring (17, 24) is made of a 75% nickel, 16% nickel alloy. Cr and 7% Fe, the rest being other metals. 30

An inductive sensor according to claim 1, characterized in that the opening of the ring (17, 24) is narrowed (19) in the side facing the coil (3).