PL193598B1

PL193598B1 - Sposób określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego i układ do określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego

Info

Publication number: PL193598B1
Application number: PL336865A
Authority: PL
Inventors: Karl Svimbersky
Original assignee: Waertsilae Nsd Schweiz Ag
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2007-02-28
Also published as: CN1256399A; DK1006271T3; EP1006271A3; KR20000057029A; PL336865A1; EP1006271A2; JP2000161117A; DE59915089D1; EP1006271B1; CN1175247C

Abstract

1. Sposób okreslania stanu elementów wspólpracuja- cych w cylindrze silnika spalinowego, który ma tlok wypo- sazony w przynajmniej jeden pierscien tlokowy i tlok ten jest umieszczony w cylindrze przesuwnie, ruchem poste- powo-zwrotnym wzdluz powierzchni bieznej wstawki cylin- drowej oraz jest wyposazony w przetwornik ultradzwieko- wy, za pomoca którego podaje sie sygnaly ultradzwiekowe na elementy wspólpracujace, a echosygnaly odbite od tych elementów wspólpracujacych wykorzystuje sie do okresla- nia ich stanu, znamienny tym, ze przetwornik ultradzwie- kowy (5), za pomoca którego podaje sie sygnaly ultra- dzwiekowe na elementy wspólpracujace (23, 31) umiesz- cza sie w gniezdzie (7) znajdujacym sie w kolnierzu (21) wstawki cylindrowej (2) cylindra (1). 6. Uklad do okreslania stanu elementów wspólpracuja- cych w cylindrze silnika spalinowego, który ma tlok wypo- sazony w przynajmniej jeden pierscien tlokowy, umiesz- czony w cylindrze przesuwnie ruchem postepowo-zwrot- nym wzdluz powierzchni bieznej wstawki cylindrowej i za- wiera przetwornik ultradzwiekowy, znamienny tym, ze przetwornik ultradzwiekowy(15) umieszczony jest w gniez- dzie (7) znajdujacym sie w kolnierzu (21) wstawki cylindro- wej (2) cylindra (1) tak, ze moze on podawac sygnaly ultra- dzwiekowe na elementy wspólpracujace (23, 31) oraz odbierac echosygnaly odbite od elementów wspólpracuja- cych (23, 31). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego i układ do określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego.

W silnikach spalinowych, zwłaszcza w dużych silnikach wysokoprężnych, które stosuje się na przykład jako agregaty napędowe statków albo w urządzeniach stacjonarnych do wytwarzania prądu, elementy współpracujące w cylindrze ulegają naturalnemu zużyciu. Przy tym jako elementy współpracujące rozumie się te części w cylindrze, które ślizgają się po sobie podczas ruchu postępowozwrotnego tłoka, a więc w szczególności powierzchnia bieżna wstawki cylindrowej, wzdłuż której porusza się tłok podczas pracy, pierścienie tłokowe, które w normalnym stanie ślizgają się po powierzchni bieżnej, a także przewidziana zwykle na tej powierzchni warstewka oleju smarowego. Zużycie wstawki cylindrowej i pierścieni tłokowych zależy od różnych parametrów, jak na przykład używane paliwo (w dużych silnikach wysokoprężnych jest to zwykle olej ciężki), stosowany olej smarowy i profil obciążenia silnika i dlatego jest trudne do analizy teoretycznej albo oceny opierającej się na wartościach empirycznych.

Ponadto, podczas pracy silnika może wystąpić niezwykle duże zużycie, co może doprowadzić do ciężkich i kosztownych uszkodzeń. Dlatego, podczas pracy silnika spalinowego pożądana jest ciągła kontrola (on line) pracy tłoka i w szczególności stanu elementów współpracujących, żeby, na przykład w razie nadzwyczaj dużego zużycia, można było zastosować we właściwym czasie środki zaradcze celem uniknięcia większych szkód.

Znane są w dużych silnikach wysokoprężnych przyrządy, za pomocą których można określać podczas pracy stan zużycia pierścienia tłokowego na zasadzie pomiaru indukcyjnego. Przewidziano do tego czujnik we wstawce cylindrowej, jak to podano na przykład w opisie EP-A-706 039. Czujnik taki zawiera obwód magnetyczny i sprzężony z nim obwód elektryczny. Kontrolowany pierścień tłokowy jest wykonany z materiału magnesowalnego i ma wstawkę z materiału niemagnesowalnego, która zwęża się w kierunku promieniowym. Gdy pierścień tłokowy podczas suwu tłoka przechodzi obok czujnika, indukuje się w nim napięcie, które jest odbierane jako sygnał pomiarowy. Sygnał ten zmienia się dzięki niemagnesowalnej wstawce, która zwęża się w kierunku promieniowym, a więc powodowana przez nią zmiana sygnału jest miarą zużycia pierścienia tłokowego.

Wprawdzie przyrządy takie sprawdziły się w praktyce, ale mają one pewne ograniczenia. Ze względu na niemagnesowalną wstawkę, pierścienie tłokowe muszą być specjalnie ukształtowane. Ponadto, niektóre znane obecnie, bardzo odporne na zużycie materiały pierścieni tłokowych nie nadają się do współpracy z takim indukcyjnym czujnikiem. Poza tym, za pomocą tego znanego przyrządu nie można uzyskać, przynajmniej bezpośrednio, żadnych informacji o stanie powierzchni bieżnej.

Znane jest także w stanie techniki stosowanie przetworników ultradźwiękowych do monitorowania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika. I tak, znany jest opis patentu USA-4 711 120, ujawniający sposób monitorowania zużycia ścian cylindra przy zastosowaniu przetwornika ultradźwiękowego umieszczonego na środkowym odcinku cylindra, poza wstawką cylindrową.

Ze zgłoszenia japońskiego JP 61 075 207 znany jest układ do badania stopnia zużycia pierścienia tłokowego bez rozmontowywania silnika spalinowego za pomocą grubościomierza ultradźwiękowego wprowadzanego z zewnątrz do otworu do przepłukiwania we wstawce cylindrowej przez otwór pomiarowy znajduje się współosiowo, na przeciwko do otworu do przepłukiwania, w płaszczu cylindra.

W zgłoszeniu japońskim JP4 124 444 opisano sposób monitorowania stopnia zużycia pierścienia tłokowego podczas pracy silnika przez pomiar grubości pierścienia w kierunku średnicy. Fala ultradźwiękowa wysyłana jest z zewnętrznej powierzchni obwodowej wstawki cylindrowej. Grubość pierścienia jest wyznaczana na podstawie różnicy czasu w odbiorze fali odbitej na zewnętrznej powierzchni obwodowej pierścienia tłokowego i fali odbitej odebranej przez czujnik fal ultradźwiękowych. W ten sposób zawsze znany jest stopień zużycia pierścienia tłokowego zmierzony z zewnątrz silnika, bez konieczności sprawdzania po rozmontowaniu silnika.

W opisie patentowym USA 393 040 opisano przyrząd ultradźwiękowy i sposób szybkiego i dokładnego pomiaru średnicy zewnętrznej i wewnętrznej oraz grubości elementów rurowych. Dla otrzymania niezbędnych danych, elementy rurowe są przesuwane pomiędzy parą rozmieszczonych po przeciwnych stronach na średnicy przetworników ultradźwiękowych. Trzeci przetwornik zastosowany został dla wytwarzania sygnału odniesienia, który jest stosowany do automatycznej kompensacji zmian temperatury w medium sprzęgającym.

PL 193 598 B1

Zadaniem wynalazku jest zaproponowanie sposobu i układu umożliwiającego podczas pracy określanie stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego, a więc w szczególności powierzchni bieżnej i pierścieni tłokowych. W szczególności wynalazek ma umożliwić określanie zużycia powierzchni bieżnej i pierścieni tłokowych podczas pracy silnika.

Zadanie to w zakresie sposobu określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego, który ma tłok wyposażony w przynajmniej jeden pierścień tłokowy i tłok ten jest umieszczony w cylindrze przesuwnie, ruchem postępowo-zwrotnym wzdłuż powierzchni bieżnej wstawki cylindrowej oraz jest wyposażony w przetwornik ultradźwiękowy, za pomocą którego podaje się sygnały ultradźwiękowe na elementy współpracujące, a echosygnały odbite od tych elementów współpracujących, wykorzystuje się do określania ich stanu, zostało zgodnie z wynalazkiem rozwiązane przez to, że przetwornik ultradźwiękowy, za pomocą którego podaje się sygnały ultradźwiękowe na elementy współpracujące umieszcza się w gnieździe znajdującym się w kołnierzu wstawki cylindrowej cylindra.

Korzystnie, sygnały ultradźwiękowe wysyła się jako impulsy ultradźwiękowe o takiej częstotliwości, że podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na każdy pierścień tłokowy podaje się przynajmniej jeden oddzielny impuls ultradźwiękowy.

Zgodnie z wynalazkiem, doprowadza się echosygnały odbite od elementów współpracujących do układu rozpoznającego.

Układ rozpoznający na podstawie echosygnałów wyznacza wartości reprezentatywne dla przynajmniej jednej z następujących wielkości:

- bezwzględne i/albo względne zużycie wstawki cylindrowej;

- grubość pierścienia tłokowego lub pierścieni tłokowych w kierunku promieniowym względem osi cylindrowej;

- promieniowa grubość powłoki przewidzianej na pierścieniu tłokowym;

- promieniowa szerokość szczeliny powietrznej między pierścieniem tłokowym i powierzchnią bieżną;

- promieniowa grubość warstewki oleju między pierścieniem tłokowym i powierzchnią bieżną.

Dalej w sposobie według wynalazku, oprócz sygnałów ultradźwiękowych podawanych z przetwornika ultradźwiękowego na elementy współpracujące wytwarza się sygnał odniesienia służący do kompensacji zmian uwarunkowanych termicznie i wykorzystuje się go do określania stanu elementów współpracujących.

Korzystnie, na podstawie doprowadzanych do układu rozpoznającego echosygnałów, określa się tendencję zużycia elementów współpracujących.

Zadanie wynalazku w zakresie układu do określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego, który ma tłok wyposażony w przynajmniej jeden pierścień tłokowy, umieszczony w cylindrze przesuwnie ruchem postępowo-zwrotnym wzdłuż powierzchni bieżnej wstawki cylindrowej i zawiera przetwornik ultradźwiękowy, zgodnie z wynalazkiem zostało rozwiązane przez to, że przetwornik ultradźwiękowy umieszczony jest w gnieździe znajdującym się w kołnierzu wstawki cylindrowej cylindra tak, że może on podawać sygnały ultradźwiękowe na elementy współpracujące oraz odbierać echosygnały odbite od elementów współpracujących.

Korzystnie, gniazdo z przetwornikiem ultradźwiękowym jest usytuowane w kołnierzu wstawki cylindrowej tak, że gdy tłok znajduje się w swoim górnym punkcie zwrotnym, gniazdo jest poniżej najniższego pierścienia tłokowego tak, że wszystkie pierścienie tłokowe podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka przechodzą obok tego przetwornika.

Korzystnie, gniazdo rozciąga się w kierunku promieniowym cylindra, a między przetwornikiem ultradźwiękowym i promieniowo wewnętrzną powierzchnią ograniczającą gniazda jest usytuowany element sprzęgający, przenoszący sygnały ultradźwiękowe z przetwornika na powierzchnię bieżną.

Zgodnie z wynalazkiem, we wstawce cylindrowej cylindra znajduje się następny przetwornik ultradźwiękowy do wytwarzania sygnału odniesienia służącego do kompensacji uwarunkowanych termicznie zmian, który jest umieszczony tak, że sygnały ultradźwiękowe podawane są na promieniowo wewnętrzną powierzchnię ograniczającą wstawki cylindrowej w strefie, która znajduje się poza zasięgiem pierścieni tłokowych podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka.

Wynalazek opiera się na idei wykorzystania ultradźwięków do określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego.

W tym celu podaje się sygnały ultradźwiękowe na elementy współpracujące, a więc w szczególności na powierzchnię bieżną i pierścienie tłokowe. Sygnały te częściowo odbijają się na po4

PL 193 598 B1 wierzchniach granicznych i częściowo przenikają przez te powierzchnie, które stanowią przejście między mediami o różnej impedancji akustycznej, na przykład powierzchnią bieżną cylindra i powierzchnią pierścienia tłokowego. Odbite sygnały jako echosygnały dostają się z powrotem do przetwornika ultradźwiękowego, który przetwarza te echosygnały na sygnały elektryczne. Z czasu przebiegu dźwięku lub też z różnicy czasu przebiegu między poszczególnymi echosygnałami można następnie wyznaczyć takie parametry jak aktualna grubość wstawki cylindrowej albo aktualna grubość pierścienia tłokowego. Tak więc, metoda ta umożliwia w prosty sposób, podczas pracy silnika spalinowego, określanie techniką pomiarową stanu i, w szczególności, zużycia powierzchni bieżnej i pierścieni tłokowych. Korzystne jest przy tym zwłaszcza to, że, żeby określić ich stan sposobem według wynalazku lub też za pomocą układu według wynalazku, nie są potrzebne specjalne ukształtowania elementów współpracujących. Sposób i układ mogą mieć uniwersalne zastosowanie do silników spalinowych, zwłaszcza do dużych silników wysokoprężnych, które pracują dwusuwowo albo czterosuwowo i są zasilane, przykładowo olejem ciężkim, olejem napędowym lub gazem jako paliwem. Wynalazek nadaje się do określania stanu wszystkich znanych pierścieni tłokowych, a więc, w szczególności, także pierścieni powleczonych plazmowo lub galwanicznie, przy czym wynalazek ma tę dodatkową zaletę wobec powleczonych pierścieni tłokowych, że pozwala określić też grubość powłoki.

Według korzystnej cechy wynalazku, wytwarzany jest sygnał odniesienia do kompensacji zmian uwarunkowanych termicznie i do określania stanu elementów współpracujących. Bierze się tu pod uwagę okoliczność, że silnik spalinowy pracuje zwykle z różnymi obrotami lub też, przy zmieniającym się obciążeniu (obciążenie pełne, częściowe), a więc temperatura w cylindrze waha się. Sygnał odniesienia umożliwia wtedy kompensację uwarunkowanych termicznie zmian w sygnałach pomiarowych, to znaczy sygnały pomiarowe mogą być kalibrowane na podstawie sygnału odniesienia. Dlatego układ zawiera korzystnie środki do wytwarzania takiego sygnału odniesienia.

W strefie, w której znajduje się następny przetwornik ultradźwiękowy wytwarzający sygnał odniesienia, nie ma zużycia powodowanego ruchem pierścieni tłokowych, a więc grubość ścianki wyznaczoną w tej strefie za pomocą ultradźwięków można wykorzystać jako sygnał odniesienia do kompensacji wahań temperatury.

Przetwornik ultradźwiękowy jest umieszczony w gnieździe w wstawce cylindrowej, usytuowanej tak, że wszystkie pierścienie tłokowe podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka przechodzą obok tego przetwornika. W takim układzie poszczególne sygnały ultradźwiękowe przebiegają najpierw przez część ścianki wstawki cylindrowej, częściowo odbijają się na powierzchni bieżnej, a część sygnałów przenikających trafia następnie na pierścień tłokowy albo na szczelinę między powierzchnią bieżną i tłokiem, zależnie od położenia tłoka. W ten sposób, podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka można sprawdzić sukcesywnie ultradźwiękami wszystkie pierścienie tłokowe.

Prędkość tłoka jest tu stosunkowo mała, a więc jest dość czasu na przetestowanie poszczególnych pierścieni tłokowych.

Przetwornik ultradźwiękowy jest oddalony od najbardziej gorących części wstawki cylindrowej, co pozwala uniknąć niebezpieczeństwa termicznego uszkodzenia lub wadliwego działania przetwornika.

Sposób według wynalazku lub też układ według wynalazku jest przeznaczony w szczególności dla dużych silników wysokoprężnych, na przykład głównych silników statków.

Wynalazek w przykładzie wykonania został objaśniony na podstawie rysunku, na którym przedstawiono schematycznie, częściowo w przekroju, układ według wynalazku we wstawce cylindrowej silnika spalinowego.

Rysunek ukazuje w przekroju wzdłużnym fragment cylindra 1 dużego silnika wysokoprężnego z układem według wynalazku do określania stanu elementów współpracujących. Oś cylindra 1 oznaczono odnośnikiem A. Kierunek prostopadły do osi A nazywa się niżej kierunkiem promieniowym.

Cylinder 1 posiada wstawkę cylindrową 2, której promieniowo wewnętrzna powierzchnia ograniczająca stanowi powierzchnię bieżną 23 tłoka 3, umieszczonego w cylindrze 1 przesuwnie, ruchem postępowo-zwrotnym. Kierunek ruchu tłoka 3 oznaczono podwójną strzałką B. Powierzchnia 23 narysowana linią ciągłą przedstawia nową wstawkę cylindrową 2, to znaczy jej stan bez żadnego zużycia. Linią punktową 23a zaznaczono powierzchnię bieżną w stanie zużycia spowodowanego ruchem tłoka 3 względem powierzchni bieżnej 23a, co doprowadziło do zmniejszenia grubości ścianki wstawki cylindrowej 2. Wstawka 2 posiada ukształtowane w znany sposób grubościenny kołnierz 21 i cienkościenną koszulkę 22.

Rysunek ukazuje tłok 3 w jego górnym punkcie zwrotnym. Nad tłokiem 3 znajduje się komora spalania 4 cylindra 1. Na tłoku 3 usytuowane są cztery pierścienie tłokowe 31, które podczas pracy

PL 193 598 B1 ślizgają się wzdłuż powierzchni bieżnej 23. Pierścienie 31 są naprężone względem powierzchni 23 tak, że przylegają do niej szczelnie nawet wtedy, gdy na skutek zużycia zmniejszyła się grubość ścianki wstawki cylindrowej 2, jak to zaznaczono linią punktową 23a. Pierścienie tłokowe na ich promieniowo zewnętrznej powierzchni ograniczającej mają naniesioną w znany sposób powłokę 31a, jak to przedstawiono na rysunku w przypadku najwyższego pierścienia 31. Powłoka 31a w stanie nowym ma grubość przykładowo 0,1 do 0,3 mm. Na powierzchni bieżnej 23 znajduje się warstewka oleju do smarowania między powierzchnią bieżną 23 i pierścieniami tłokowymi 31.

Pod pojęciem „elementy współpracujące” rozumie się tu elementy składowe poruszające się podczas normalnej pracy względem siebie i ślizgające się po sobie. A więc w tym przykładzie wykonania są to: powierzchnia bieżna 23 oraz pierścienie tłokowe 31 wraz ze znajdującą się między nimi warstewką oleju.

W kołnierzu 21 wstawki cylindrowej 2 znajduje się gniazdo 1, które zaczyna się na zewnętrznej stronie wstawki 2i rozciąga się stąd w kierunku promieniowym, a więc prostopadle do osi cylindra A, do wewnątrz aż do powierzchni ograniczającej 71. Promieniowo wewnętrzna powierzchnia 71 znajduje się w odstępie R (w odniesieniu do nowego stanu wstawki cylindrowej 2)od powierzchni bieżnej 23. Ze względów praktycznych odstęp R wynosi, korzystnie, co najmniej 1cm. W gniazdo 7jest wpasowany trzpieniowy element sprzęgający 6, którego czoło przylega do powierzchni ograniczającej 71. Druga powierzchnia czołowa elementu 6 styka się z przetwornikiem ultradźwiękowym 5, który jest również umieszczony w gnieździe 7. Element sprzęgający 6 i przetwornik 5 są zamontowane w gnieździe 7 za pomocą środka mocującego, który ma tu postać zamknięcia gwintowego 8. Zamknięcie gwintowe 8 współpracuje z gwintem w gnieździe 7i jest dostępne od zewnętrznej strony wstawki cylindrowej. Między zamknięciem gwintowym 8i przetwornikiem 5 znajduje się element sprężynujący 9, który dociska przetwornik 5 do elementu sprzęgającego 6, a ten ostatni do powierzchni ograniczającej 71. Element sprężynujący 9 pozwala kompensować w szczególności termicznie uwarunkowane zmiany gniazda 7 nie dopuszczając do utraty styczności między przetwornikiem 5 i elementem sprzęgającym 6 oraz między elementem 6i powierzchnią ograniczającą 71.

Zamknięcie gwintowe 8 ma przebiegający w kierunku promieniowym przepust, przez który są przeprowadzone elektryczne przewody 10, które łączą przetwornik 5 z układem rozpoznającym sygnały 11. Nie ukazany na fig. 1 zasilacz, niezbędny do pracy przetwornika 5, można na przykład zespolić z układem rozpoznającym 11.

Element sprzęgający 6jest wykonany z materiału dobrze przewodzącego ultradźwięki i przenosi sygnały ultradźwiękowe wysyłane z przetwornika 5 na powierzchnię bieżną 23 lub też echosygnały do przetwornika 5. Dzięki elementowi 6 przetwornik 5 jest oddalony od najbardziej gorącej strefy wstawki cylindrowej 2 i jest mniej narażony na wysoką temperaturę tak, że nie ma niebezpieczeństwa termicznego uszkodzenia lub uwarunkowanego termicznie wadliwego działania przetwornika 5.

Gniazdo 7jest usytuowane w kołnierzu 21 wstawki cylindrowej 2 tak, że wszystkie pierścienie tłokowe 31 podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka 3 przechodzą obok przetwornika 5 lub jego zakresu pomiarowego, to znaczy, gdy tłok 3 znajduje się w swoim górnym punkcie zwrotnym, jak ukazano na rysunku, gniazdo 7 patrząc w kierunku osiowym (kierunek osi cylindrowej A) jest poniżej najniższego na rysunku pierścienia tłokowego 31.

Jako środek do wytwarzania sygnału odniesienia zastosowany został w tym przykładzie realizacji nadajnik sygnału odniesienia w postaci następnego przetwornika ultradźwiękowego 5a. Jest on zamontowany w gnieździe 7a na kołnierzu 21 za pomocą zamknięcia gwintowego 8ai i elementu sprężynującego 9a, podobnie jak to objaśniono w związku z przetwornikiem 5 oraz jest połączony w sposób umożliwiający przenoszenie dźwięków poprzez trzpieniowy element sprzęgający 6a z promieniowo wewnętrzną powierzchnią ograniczającą 71a gniazda 7a. Nadajnik sygnałów odniesienia jest połączony elektrycznymi przewodami 10a z układem rozpoznawania sygnałów 11.

Gniazdo 7ana przetwornik ultradźwiękowy 5a jest usytuowane w kierunku osiowym względem kołnierza 21 w takim położeniu, że znajduje się ono jeszcze nad najwyższym pierścieniem tłokowym 31, gdy tłok 3 jest w swoim górnym punkcie zwrotnym. Tak więc, nadajnik sygnału odniesienia w postaci przetwornika ultradźwiękowego 5a zasila strefę promieniowo wewnętrznej powierzchni ograniczającej wstawki cylindrowej 2, w której nie przesuwa się żaden z pierścieni tłokowych 31 podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka, a więc która nie ulega zużyciu wskutek ślizgania się pierścieni tłokowych wzdłuż powierzchni bieżnej 23. Dzięki temu, promieniową grubość ścianki między powierzchnią ograniczającą 71a gniazda 7a i promieniowo wewnętrzną powierzchnią ograniczającą wstawki cylindrowej 2, która w tym przykładzie realizacji jest taka sama jak odstęp R i która może być określo6

PL 193 598 B1 na za pomocą przetwornika 5a, można wykorzystać jako sygnał odniesienia do kompensacji zmian uwarunkowanych termicznie.

Niżej objaśniona została teraz, na przedstawionym na rysunku przykładzie wykonania, zasada działania układu. Podczas pracy silnika spalinowego przetwornik ultradźwiękowy 5 wysyła sygnały w postaci impulsów ultradźwiękowych, przy czym częstość tych impulsów jest zaprojektowana tak, że podczas ruchu postępowo-zwrotnego tłoka 3 na każdy pierścień tłokowy 31 jest podawany przynajmniej jeden oddzielny impuls ultradźwiękowy. Znane dziś systemy ultradźwiękowe umożliwiają uzyskanie częstości do 2000 pomiarów na sekundę. Ponieważ prędkość tłoka 3 w strefie górnego punktu zwrotnego jest stosunkowo mała, więc taka częstość impulsów wystarcza do przetestowania impulsami ultradźwiękowymi każdego z pierścieni tłokowych 31.

Wysyłany z przetwornika ultradźwiękowego 5 impuls ultradźwiękowy przechodzi przez element sprzęgający 6 w kierunku promieniowym do osi cylindrowej A. Zależnie od chwilowego położenia tłoka przechodzi on przez kilka powierzchni granicznych między mediami o różnej impedancji akustycznej, na przykład między powierzchnią bieżną 3 i warstewką oleju; warstewką oleju i pierścieniem tłokowym 31 (gdy akurat pierścień 31 znajduje się w strefie pomiarowej przetwornika 5,a więc na tej samej osiowej wysokości, co gniazdo 7) albo warstewką oleju i powietrzem (gdy zakres pomiarowy znajduje się np. akurat między dwoma pierścieniami tłokowymi 31); powłoką 31a pierścienia tłokowego 31(jeżeli jest) i pierścieniem tłokowym 31, promieniowo wewnętrzną powierzchnią ograniczającą 31b pierścienia tłokowego i znajdującą się za nią przestrzenią.

Na tych powierzchniach granicznych następuje częściowe odbicie impulsu ultradźwiękowego, skąd powstaje echosygnał i częściowe przenikanie. Tak więc, z impulsu ultradźwiękowego może powstać kilka echosygnałów, które pochodzą z różnych powierzchni granicznych i mają różne czasy przebiegu. Echosygnały trafiają przez element sprzęgający 6do przetwornika ultradźwiękowego 5 i są przekształcane na sygnały elektryczne, które jako sygnały pomiarowe są przekazywane przewodami10 do przetworzenia i analizy w układzie rozpoznawania 11. Z czasu przebiegu echosygnałów i/albo z różnicy czasów przebiegu echosygnałów, które pochodzą z tego samego impulsu ultradźwiękowego, można następnie wyznaczyć różne odcinki odpowiadające aktualnym wymiarom w cylindrze 1, co można wykorzystać do określenie stanu elementów współpracujących. Za pomocą znanych obecnie przetworników ultradźwiękowych można określać grubości warstewek poniżej 0,01 mm. Tak więc, układ rozpoznający 11 może określić w szczególności następujące wymiary: grubość ścianki D1 wstawki cylindrowej 2 między powierzchnią ograniczającą 71 gniazda 7i powierzchnią bieżną 23 lub 23a, względną albo bezwzględną grubość warstewki oleju między pierścieniem tłokowym 31 i powierzchnią bieżną 23 lub 23a, promieniową grubość D3 powłoki 31a pierścienia tłokowego 31, promieniową grubość D2 każdego pierścienia tłokowego 31.

W taki sam sposób, za pośrednictwem przetwornika ultradźwiękowego 5a służącego jako nadajnik sygnału odniesienia wyznacza się jako sygnał odniesienia odstęp R, który odpowiada grubości ścianki wstawki cylindrowej 2 między powierzchnią ograniczającą 71a gniazda 7a i promieniowo wewnętrzną powierzchnią ograniczającą wstawki cylindrowej 2. Odstęp R jest znany dla temperatury normalnej, a więc ten sygnał odniesienia można wykorzystać do kalibracji sygnałów pomiarowych, w szczególności do kompensacji uwarunkowanych termicznie odchyłek.

Za pomocą opisanego tu układu można więc określać i kontrolować podczas pracy silnika spalinowego bezwzględne albo względne zużycie powierzchni bieżnej, mianowicie na przykład przez porównanie aktualnej wartości odstępu R z aktualną wartością grubości ścianki D1. Ponadto można określać zużycie każdego pierścienia tłokowego 31 z aktualnych wartości grubości D2 lub też D3.

Oprócz określania zużycia można na podstawie sygnałów pomiarowych kontrolować sprawność działania pierścieni tłokowych 31. Gdy na przykład pierścień tłokowy 31 utracił swoje naprężenie lub z innych powodów nie przylega szczelnie do powierzchni bieżnej 23, to między pierścieniem 31 ipowierzchnią 23 istnieje szczelina powietrzna, którą można wykryć na podstawie sygnałów pomiarowych. Sygnały te pozwalają też wykryć złamanie pierścienia tłokowego i położenie zamka pierścienia tłokowego. Ponadto na podstawie sygnałów pomiarowych można też określić stan warstewki oleju na powierzchni bieżnej 23, 23a.

Oczywiście są też możliwe takie ukształtowania wynalazku, w których dla każdej wstawki cylindrowej przewidziano kilka czujników ultradźwiękowych do określania stanu elementów współpracujących. Są one wtedy rozmieszczone na obwodzie wstawki cylindrowej 2 i są montowane każdorazowo z zewnątrz we wstawce 2, na przykład w taki sam sposób jak objaśniono uprzednio.

PL 193 598 B1

Do wytwarzania sygnału odniesienia można też przewidzieć inne środki niż tu opisane oraz nadajniki sygnałów odniesienia ukształtowane jako przetworniki ultradźwiękowe 5a. W szczególności można te środki zespolić z przetwornikiem ultradźwiękowym 5, za pomocą którego są wytwarzane sygnały pomiarowe. Korzystnie, jako sygnał odniesienia wykorzystuje się aktualną wartość wymiaru, który nie zmienia się wskutek zużycia.

Układ rozpoznawania sygnałów spełnia w szczególności następujące zadania:

- określanie zużycia w czasie powierzchni bieżnej 23, 23a wstawki cylindrowej 2, na przykład w zależności od godzin pracy silnika;

- określanie zużycia w czasie i/albo bezwzględnej grubości D2, D3 każdego z pierścieni tłokowych 31 lub też każdej powłoki 31a;

- kontrola styczności każdego pierścienia tłokowego 31 z powierzchnią bieżną 23, 23a;

- kontrola wystąpienia zmian w charakterystyce zużycia;

- kontrola przekroczenia zadanej wartości granicznej zużycia wstawki cylindrowej 2 i/albo pierścieni tłokowych 31.

Układ rozpoznający 11 powoduje wyzwolenie sygnału alarmowego, gdy pierścień tłokowy 31 jest złamany lub stracił naprężenie albo z innych powodów utracił styczność lub nie przylega już szczelnie do powierzchni bieżnej 23, 23a albo brakuje całkiem lub częściowo powłoki 31a na pierścieniu tłokowym 31 albo, gdy zużycie lub tempo zużycia wstawki cylindrowej 2 i/albo pierścienia tłokowego 31, względnie powłoki 31a przekracza zadaną wartość graniczną.

W praktyce zdarza się często, że pierścienie tłokowe 31 usytuowane na obwodzie, nie zużywają się równomiernie. W takich przypadkach układ rozpoznający może generować reprezentatywną wartość średnią zużycia.

Poza tym, na podstawie odebranych sygnałów pomiarowych można wyznaczyć tendencję przyszłego zużycia elementów współpracujących, żeby, na przykład, ocenić przypuszczalny czas koniecznej kontroli i naprawy.

Oczywiście, w przypadku silników spalinowych, w szczególności dużych silników wysokoprężnych, które mają więcej niż jeden cylinder, można przewidzieć na każdym cylindrze przynajmniej jeden przetwornik ultradźwiękowy 5 do określania stanu elementów współpracujących w danym cylindrze. Przy tym, kilka albo wszystkie przetworniki 5 można połączyć ze wspólnym układem rozpoznającym 11 lub też ze wspólnym zasilaczem i układem analizującym. Taki wspólny zespół, przykładowo za pomocą przełącznika miejsc pomiaru, może wykonywać cyklicznie pomiary cylindra za cylindrem oraz przetwarzać, analizować i zapamiętywać każdorazowo odebrane sygnały pomiarowe.

Wynalazek oferuje układ lub też sposób określania stanu jednego lub kilku elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego oraz umożliwia podczas pracy silnika spalinowego określanie w szczególności zużycia powierzchni bieżnej i pierścieni tłokowych, a także sprawności działania każdego z pierścieni tłokowych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego, który ma tłok wyposażony w przynajmniej jeden pierścień tłokowy i tłok ten jest umieszczony w cylindrze przesuwnie, ruchem postępowo-zwrotnym wzdłuż powierzchni bieżnej wstawki cylindrowej oraz jest wyposażony w przetwornik ultradźwiękowy, za pomocą którego podaje się sygnały ultradźwiękowe na elementy współpracujące, a echosygnały odbite od tych elementów współpracujących wykorzystuje się do określania ich stanu, znamienny tym, że przetwornik ultradźwiękowy (5), za pomocą którego podaje się sygnały ultradźwiękowe na elementy współpracujące (23, 31) umieszcza się w gnieździe (7) znajdującym się w kołnierzu (21) wstawki cylindrowej (2) cylindra (1).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sygnały ultradźwiękowe wysyła się jako impulsy ultradźwiękowe o takiej częstotliwości, że podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka (3) na każdy pierścień tłokowy (31) podaje się przynajmniej jeden oddzielny impuls ultradźwiękowy.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że doprowadza się echosygnały odbite od elementów współpracujących (23, 31) do układu rozpoznającego (11).
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że oprócz sygnałów ultradźwiękowych podawanych z przetwornika ultradźwiękowego (5) na elementy współpracujące (23, 31) wytwarza się sygnał

PL 193 598 B1 odniesienia służący do kompensacji zmian uwarunkowanych termicznie i wykorzystuje się go do określania stanu elementów współpracujących (23, 31).
5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że na podstawie doprowadzanych do układu rozpoznającego (11) echosygnałów, określa się tendencję zużycia elementów współpracujących (23, 31).
6. Układ do określania stanu elementów współpracujących w cylindrze silnika spalinowego, który ma tłok wyposażony w przynajmniej jeden pierścień tłokowy, umieszczony w cylindrze przesuwnie ruchem postępowo-zwrotnym wzdłuż powierzchni bieżnej wstawki cylindrowej i zawiera przetwornik ultradźwiękowy, znamienny tym, że przetwornik ultradźwiękowy(15) umieszczony jest w gnieździe (7) znajdującym się w kołnierzu (21) wstawki cylindrowej (2) cylindra (1) tak, że może on podawać sygnały ultradźwiękowe na elementy współpracujące (23, 31) oraz odbierać echosygnały odbite od elementów współpracujących (23, 31).
7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że gniazdo (7) z przetwornikiem ultradźwiękowym (5) jest usytuowane w kołnierzu (21) wstawki cylindrowej (2) tak, że gdy tłok (3) znajduje się w swoim górnym punkcie zwrotnym, gniazdo (7) jest poniżej najniższego pierścienia tłokowego (31) tak, że wszystkie pierścienie tłokowe (31) podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka (3) przechodzą obok tego przetwornika.
8. Układ według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że gniazdo (7) rozciąga się w kierunku promieniowym cylindra (1), a między przetwornikiem ultradźwiękowym (5) i promieniowo wewnętrzną powierzchnią ograniczającą (71) gniazda (7) jest usytuowany element sprzęgający (6), przenoszący sygnały ultradźwiękowe z przetwornika (5) na powierzchnię bieżną (23).
9. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że we wstawce cylindrowej (2) cylindra (1) znajduje się następny przetwornik ultradźwiękowy (5a) do wytwarzania sygnału odniesienia służącego do kompensacji uwarunkowanych termicznie zmian, który jest umieszczony tak, że sygnały ultradźwiękowe podawane są na promieniowo wewnętrzną powierzchnię ograniczającą (71) wstawki cylindrowej (2) w strefie, która znajduje się poza zasięgiem pierścieni tłokowych (31) podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka (3).