确定活塞式发动机气缸压力的设备和带此类设备的柴油机

摘要

确定活塞式发动机燃烧室压力的设备包括测量由发动机活塞推动的零件的压力和/或伸长的传感器。可根据测得的沿活塞运动方向作用在零件上的压力推导出燃烧室中的压力。测量值的电信号作为计算燃烧室中压力的基础。最好还测量发动机零件的加速度。因此，可以将惯性力和质量力包括在确定的气缸压力内，从而能简单并可靠地确定气缸压力。由加速度信号可以高度精确地确定每个气缸的上死点和下死点，这对于后续的信号处理有重要意义。

说明书

本发明涉及一种确定活塞式发动机燃烧室压力的设备，以及具有上述设备的柴油机。

对于活塞式发动机，尤其对于多缸的大功率柴油机，要求各缸的功率尽可能保持均匀，或至少保持在很小的变化范围之内。此外，为了获得尽可能高的功率，要求保持小的功率极限裕度。

众所周知，大功率柴油机的气缸盖上设有所谓的示功器接孔，它可通过示功器旋塞直接与燃烧室相连。在此示功器接孔中装上压力传感器，便可直接确定燃烧室内的压力变化。

然而，由于燃烧室内的环境条件恶劣，所以并不能始终保证连续和精确地测量压力，从而不能保证持续和精确地计量气缸功率。传感器必须能长时期地耐高温、高压和交变载荷而不损坏。此外，燃气的化学腐蚀性相当强，而且有在示功器接孔和传感器上积炭的很大危险性。因此，除短期使用外，这些办法是不合算的，也就是说，这些办法不适用于长期工作。所以，通过打开示功器接孔的示功器旋塞，短时间使用传感器，使之只是用于周期性测量，来限制它们进行临时测量。

于是，为了使发动机的各气缸不过载，必须不得不相对于最大允许功率保持足够大的功率裕度，以保证各缸决不超过最大允许功率。

还已知，借助于装在气缸头（盖）上的测力传感器，通过间接测量测定气缸头的变形，并以此为基础确定燃烧室内的压力。这些测量装置需要比较经常地用标准计量装置来重新校准，而且所测得的压力变化常常受因干扰引起误差的困扰。

本发明的目的是提供一种没有上述缺点的设备以及具有这类设备的柴油机。

按照本发明，上述目的是这样实现的，这种确定活塞式发动机燃烧室压力的设备，其特征为：设有测量由活塞推动的发动机零件上的压力和/或拉力，以及，以可沿活塞运动方向移动的发动机零件上所确定的压力值为基础，确定燃烧室内压力值的装置，通过此装置产生与压力值相应的电信号。按本发明的柴油机配备有按本发明的设备。

对传感器而言，曲轴箱或活塞下侧换气腔内的环境条件要有利得多，这就有可能用比较简单的工具，连续监测燃烧室压力。在大功率柴油机中，活塞通过活塞杆驱动曲轴，活塞杆基本上沿气缸轴线方向往复运动，并推动一个十字头。十字头再通过装在十字头与曲轴之间的连杆驱动曲轴。

压力传感器最好设在活塞与活塞杆之间，或设在活塞杆的十字头一端。对于大功率柴油机，在活塞杆的十字头一端装入定距垫，以便能补偿多缸发动机各缸之间可前发生的任何压力差。现在可将一个设计为传感器的间隔件装在定距垫所在位置上。

柴油机的另一个问题是确定上死点和下死点，亦即确定活塞的上、下换向点。在飞轮上的测量装置（飞轮装在曲轴上），在工作时往往受数量级为若干度的角向误差的困扰，典型地，此误差可到3°，这对于后续的计算可能是太不准确了。

若在活塞杆上装一个加速度传感器，例如压电加速度传感器，便能非常精确地确定上死点和下死点。加速度传感器最好紧邻压力传感器安装，或与压力传感器在结构上制成一个整体构件。这就可以对燃烧室压力进行实时计算，因为作用在压力传感器上的发动机零件的质量力和惯性力，可与真正的压力分开确定。

因此，人们具有调节手段和能力，例如将各缸的着火点压力调整为非常准确和接近于最大允许的着火点压力。还可以优化各缸的效率，从而提高发动机的总效率。

轴承的润滑，尤其在局部载荷区是非常重要的，因为在润滑量一定时，负荷过高会使轴承损坏，所以发动始终应有安全裕度地工作。在持续监测气缸压力并与此同时提高了防止轴承损坏的安全程度的情况下，此安全裕度可以规定得很小。

实时地监测活塞力，还可以借助于典型的脉动效应，提前识别活塞咬死的早期征兆，这种脉动在压力曲线上也有反映。在致命的破坏可能在气缸内发生前，可以例如采取必要的防范措施，如降低气缸性能或增加润滑油量。

确定活塞式发动机燃烧室压力的设备，包括测量压力的传感器和/或测量由发动机活塞推动的零件伸长量的传感器。通过测量作用在由活塞推动的发动机零件上沿活塞运动方向的压力，可以推导出燃烧室内的压力。测量值的电信号作为计算燃烧室压力的基础。最好还测出在其上测量了力和压力的发动机零件所受的加速度。因此，可以将惯性力和质量力包括在气缸压力的确定之中，从而能简单并可靠地确定沿曲轴旋转的全部转角范围内的气缸压力。由加速度信号可高度精确地确定每个气缸的上死点（TDC）和下死点（BDC），这对于后续的信号处理有重要意义。

此设备特别适用于低速大功率柴油机，这种发动机工作的转速范围约为50至200转/分。在多缸发动机中最好用传感器监测每一个气缸，传感器测出的数值输入一个共同的数据处理装置。虽然在多缸发动机中每个气缸有单独的传输线通往信号处理装置是有好处的，但也可以将来自多个气缸的测量信号，通过至少部分共用的传输途径进行输送。

下面借助于附图更详细地说明本发明，附图示意表示了设备的实施例。

其中：

图1具有按本发明设备的柴油机侧向剖面示意图，其中，传感器装在活塞杆的十字头一端，传感器信号通过电缆传输到数据处理装置;

图2具有按本发明设备的柴油机侧向剖面示意图，其中，传感器装在活塞杆的十字头一端，传感器信号用无线方式传送给在曲轴箱内的接收机，再从接收机传到数据处理装置;

图3具有按本发明设备的柴油机侧向剖面示意图，其中，传感器装在活塞杆的活塞一端，传感器信号用无线方式传送给在曲轴箱内的接收机，再从接收机传到数据处理装置。

图1、图2和图3表示大功率柴油机1和气缸11的剖面图，活塞12在气缸中运动。喷油嘴13将燃油喷入燃烧室10。活塞12通过活塞杆14、十字头15和推力杆16（又称连杆）推动发动机1的曲轴17。

活塞杆14所受的压力以及加速度均被测量，用传感器31测量压力，传感器32测量加速度，在图1所示的柴油机中，这些传感器装在活塞杆14的十字头一端。如图所示，信号在通过信号与输电线33送往信号处理装置34之前，可在放大器300中进行预先放大。在图1所示的例子中，导线33沿轴承润滑系统的铰接杆18延伸。

用于燃油喷注系统13、37、用于监测和警报系统36以及用于诊断系统35的控制和调节信号，要借助于数据处理装置34，以传感器31、32测得的值为基础进行处理。在所举的例了中，数据处理在计算机38支持下进行。压力曲线、图表和记录等各种值，可在计算机38的屏幕上表示成图表和/或曲线，或用图中未表示的打印机打印出来。

当绝对极限值（如最大允许气缸压力）被超过或当反映压力变化的压力曲线超过极限峰值时，可例如发出警报。当根据气缸压力曲线的变化预告活塞咬死时，也可以发出警报。

借助于按本发明的设备，可以监控多缸发动机的均匀运行、燃烧室内的燃油燃烧的优化或燃油喷注的喷注数据。

例如，可通过燃油喷注控制装置，影响喷油量、喷油开始、喷油终止和/或喷油压力。

在按照图2所示的本发明设备中，预先放大的测量值信号通过带天线30″的发射器30向带天线33″的接收器33′发送，再从那里经导线33传往数据处理装置34。测量值信号的进一步计算和处理，可按已借助图1说明的相同方式进行。

图3表示了柴油机的剖面，其中，按本发明的设备装在活塞杆14的活塞端。在此结构中，设备的传感器装在活塞与活塞杆之间，在活塞与活塞支座之间和/或在活塞杆中。

在此种结构中，经预先放大的测量值信号通过带天线30″的发射器30向带天线33″的接收器33′发送，再从那里经导线33传往数据处理装置34。测量值信号的进一步计算和处理可按已借助图1说明的同样方法进行。图2和图3中的发射器30和接收器33′可例如用电池工作。

数据处理、燃油喷注、监测和警报系统、以及诊断组件，所有这些可与计算机共同组合在一起，成为一个计算、控制和调节组件。所需数据（例如燃烧室压力）的计算程序和方法是专业人员所熟知的，故此处无需具体讨论和说明。