Способ и устройство для определения положения верхней мертвой точки в поршневых двигателях

Классификация по МПК: G01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2275590
Дата публикации: 
Среда, Март 10, 2004
Начало действия патента: 
Четверг, Декабрь 14, 2000

Изобретение относится к области измерения и регулирования положения верхней мертвой точки в поршневых двигателях. Сущность: положение поршня определяют посредством вихретокового датчика, расположенного в отверстии в головке цилиндра двигателя. Двигатель снабжен средствами варьирования или регулирования компрессии на основе определенного положения верхней мертвой точки. Технический результат: повышение надежности, удобства в обращении, облегчение регулировки двигателей. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.



Область техники

Настоящее изобретение относится к способам определения и регулирования положения верхней мертвой точки в поршневых двигателях, в которых положение поршня измеряют посредством измерения расстояния.

Настоящее изобретение относится также к способам определения и регулирования положения верхней мертвой точки в поршневых двигателях, в которых положение поршня измеряют посредством электрического датчика.

Уровень техники

Торцевой зазор является одним из самых важных факторов в конструкции двигателей. Чем меньше зазор, тем меньше потребление топлива и меньше выбросы в атмосферу так называемых выхлопных газов. Поэтому возможность определения и регулирования расстояния между верхним торцом поршня или головкой поршня и цилиндром при работе двигателя, а также при различных оборотах в минуту и различных нагрузках и температурах являлась бы преимуществом.

На основе измерения торцевого зазора при соответствующих условиях можно было бы построить расчетные модели, описывающие торцевой зазор с большей точностью, чем современные теоретические модели, такие как FEM (эмиссионная автоэлектронная спектроскопия).

В патенте США 4147054 описаны способ и устройство для определения положения верхней мертвой точки в поршневых двигателях. Согласно патенту, определение положения верхней мертвой точки поршня основано на измерении расстояния, в котором измеряют расстояние между датчиком и поршнем. Датчик представляет собой либо емкостный трансмиттер современной конструкции для измерения расстояния, либо индуктивный трансмиттер современной конструкции для измерения расстояния.

Емкостный трансмиттер для измерения расстояния очень чувствителен к изменениям диэлектрика в зазоре между датчиком и поверхностью, до которой измеряют расстояние, т.е. головкой поршня. Поскольку диэлектрическую постоянную газов сгорания трудно определить и, кроме того, она меняется при сгорании, трудно получить достоверные значения торцевого зазора посредством такого емкостного трансмиттера для измерения расстояния.

Недостатком индуктивного трансмиттера для измерения расстояния является то, что его можно использовать только для измерения ферромагнитных материалов, таких как железо. Следовательно, его нельзя использовать для измерений положения алюминиевых поршней. Он также чувствителен к температурам и давлениям, и ему необходима защита от воздействия атмосферы камеры сгорания. Для измерения расстояний порядка 2 мм и менее индуктивный датчик потребовал бы несколько больше места, чем желательно.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, которые позволили бы устранить недостатки известных способов и устройств. Способ согласно изобретению позволит облегчить разработку двигателей и регулирование двигателей на основе измерения положения верхней мертвой точки.

Устройство должно быть надежно в работе, относительно недорого в изготовлении и удобно в обращении, с тем чтобы его можно было легко вставлять в двигатель, торцевой зазор которого определяют и регулируют.

Поставленная задача достигается тем, что используют вышеупомянутый способ, причем положение головки поршня определяют посредством вихретокового датчика.

При этом головка поршня содержит электропроводящий материал, в котором возбуждаются вихревые токи предпочтительно посредством создания тока в катушке вихретокового датчика. В результате измеряют воздействие этих вихревых токов на реактивное сопротивление катушки вихретокового датчика.

Предпочтительно определение положения верхней мертвой точки проводят в динамических условиях работы двигателя.

Задача изобретения также решается посредством вышеуказанного устройства, отличающегося тем, что датчик представляет собой вихретоковый датчик.

Устройство предпочтительно содержит катушку и средства возбуждения тока в катушке, при этом катушку размещают таким образом, чтобы возбудить вихревые токи в головке поршня под действием магнитного поля этой катушки.

Устройство также содержит катушку, на реактивное сопротивление которой воздействуют вихревые токи, возбужденные в головке поршня, при этом определение положения верхней мертвой точки основано на том, насколько указанное реактивное сопротивление изменяется под действием вихревого тока.

Предпочтительно катушка для возбуждения вихревого тока в головке поршня и катушка, реактивное сопротивление которой подвергается действию вихревого тока, представляют собой одну и ту же измерительную катушку, являющуюся частью вихретокового датчика.

Согласно одному из примеров реализации, устройство согласно изобретению содержит по меньшей мере один индикатор температуры для индикации температуры, при которой находится вихретоковый датчик. Указанный по меньшей мере один индикатор температуры предпочтительно содержит катушку сравнения, соединенную с измерительной катушкой посредством моста Витстона (Wheatstone).

Предпочтительно вихретоковый датчик расположен в отверстии, образованном (высверленном) в головке цилиндра двигателя.

Высверленное отверстие проходит в головке цилиндра так, чтобы вихретоковый датчик можно было удалить снаружи из смонтированной головки цилиндра через отверстие. Таким образом, при желании датчик может быть легко удален и заменен заглушкой.

Предпочтительно устройство соединено со средствами воздействия на компрессию двигателя на основе положения верхней мертвой точки, определенного посредством вихретокового датчика.

Согласно одному из примеров реализации, средства воздействия на компрессию двигателя включают средства смещения цилиндровой части двигателя по отношению к его картерной части.

Далее, двигатель содержит по меньшей мере два цилиндра, каждый из которых снабжен предназначенным для него датчиком, а устройство содержит средства воздействия на компрессию двигателя отдельно для каждого цилиндра.

Изобретение также относится к устройству для регулирования объема камеры сгорания и компрессии в камере сгорания поршневого двигателя, которое отличается тем, что цилиндровая часть установлена с возможностью смещения по отношению к картерной части вдоль общей плоскости скольжения между цилиндровой частью и картерной частью. Предпочтительно цилиндровая часть содержит первый фланец, а картер содержит соответствующий ему второй фланец, установленный так, чтобы входить в зацепление с первым фланцем, при этом устройство содержит средства смещения цилиндровой части двигателя по отношению к его картерной части посредством перемещения скольжения этих двух фланцев относительно друг друга. Смещение между цилиндровой частью двигателя и его картерной частью предпочтительно соотносится с величиной торцевого зазора, полученной в результате определения, или рассчитано по алгоритму с использованием указанной величины торцевого зазора, полученной в результате определения.

Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения представлены в последующем подробном описании предпочтительных примеров реализации изобретения и приложенной формуле изобретения.

Краткое описание фигур

Предпочтительные примеры изобретения далее будут описаны со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:

на Фиг.1 представлена схема вихретокового датчика согласно одному из примеров реализации изобретения;

на Фиг.2 схематически изображено поперечное сечение первого примера реализации устройства согласно изобретению для определения верхней мертвой точки положения поршня;

на Фиг.3 схематически изображено поперечное сечение устройства согласно изобретению для определения верхней мертвой точки положения поршня и поршень;

на Фиг.4 схематически изображено поперечное сечение альтернативного примера реализации устройства согласно изобретению;

на Фиг.5 представлен вид сбоку заглушки для размещения в отверстии в цилиндровой части для замены вихретокового датчика;

на Фиг.6 схематически изображено поперечное сечение устройства для регулирования компрессии поршневого двигателя;

на Фиг.7 схематически изображено поперечное сечение альтернативного примера реализации устройства для регулирования компрессии поршневого двигателя;

на Фиг.8 представлено поперечное сечение по линии А-А на Фиг.7.

Подробное описание изобретения

На Фиг.1 показан пример реализации вихретокового датчика 1 согласно изобретению. Датчик 1 содержит две катушки 2, 3, соединенные в виде моста Витстона. Эти катушки 2, 3 запитаны от переменного тока высокой частоты, величина которого составляет от 50 кГц до 10 МГц, предпочтительно 125 кГц, от цепи генератора 4.

Нижняя катушка 2 расположена близко к внутренней поверхности цилиндра двигателя (не показан) и представляет собой измерительную катушку. Верхняя катушка 3, расположенная несколько дальше от внутренней поверхности, представляет собой эталонную катушку для индикации температурных отклонений и флуктуаций датчика. Поскольку результат измерения с помощью измерительной катушки 2 изменяется с изменением температуры, устройство согласно изобретению может содержать множество датчиков температуры. Альтернативно или дополнительно устройство может быть снабжено средствами охлаждения датчика 1 водой для достижения более постоянной температуры.

Датчик 1 создает магнитное поле. Головка 5 поршня, выполненная из электропроводного материала, подвергается воздействию магнитного поля в тот момент, когда она достигает своего положения верхней мертвой точки. При этом в головке 5 поршня возникают вихревые токи. Электромагнитное поле по большей части или практически полностью создается измерительной катушкой 2.

Если головка 5 поршня содержит ферромагнитный материал, индуктивная составляющая реактивного сопротивления катушки 2 увеличится вследствие высокой проницаемости головки 5 поршня. Если головка 5 поршня содержит немагнитный материал, электромагнитное поле катушки 2 возбудит вихревые токи на поверхности головки 5 поршня. Электромагнитное поле, созданное в головке 5 поршня, будет взаимодействовать с магнитным полем катушки 2 и таким образом вызовет изменения реактивного сопротивления катушки 2. Амплитуда изменения реактивного сопротивления зависит от расстояния между катушкой 2 и головкой 5 поршня.

Сопротивление и проницаемость материала головки поршня будет определять работу устройства. Немагнитные материалы, такие как алюминий, медь, золото и т.п., имеют низкое сопротивление и проницаемость в области 1. Это приведет к относительно высокой чувствительности и к возможности измерения большого расстояния. Высокое сопротивление и/или проницаемость материалов, таких как железо или никель-сталь, в противоположность приведет к эффективному возбуждению вихревых токов. Оптимальным материалом поршня является алюминий.

Для получения наилучших результатов перед использованием датчика 1 следует провести его калибровку в рабочем положении в цилиндре двигателя относительно такого же материала, из которого изготовлена головка поршня.

Датчик 1 должен быть устойчивым в жестких условиях работы в камере сгорания 11, в особенности в условиях изменения температуры и давления, которые имеют место в двигателе во время его работы. Поэтому датчик 1 предварительно нагружен с усилием, превышающим давление газов в рабочем цикле двигателя.

Как видно на Фиг.2, углы или края датчика, максимально приближенные к камере сгорания 11, защищены посредством защитного экрана 7 из неэлектропроводного материала, в данном случае керамического кольца, выполненного из нитрида бора.

На Фиг.2 видно, что корпус датчика 1 соединен со втулкой 8. Корпус датчика 1 и втулка 8 образуют удлиненный элемент, который вставлен в высверленное отверстие, проходящее через внешнюю стенку 9 головки цилиндра двигателя и через внутреннюю стенку 10 указанной головки. Между этими двумя стенками проходит канал для охлаждающей воды. Соответственно, датчик также подвергается охлаждению, которое обеспечивает система охлаждения двигателя. Резьбовой стопорный элемент 12 присоединен ко втулке 8 и находится в зацеплении с резьбой 13 на внутренней периферии высверленного отверстия во внешней стенке 9. Посредством стопорного элемента 12 вертикальное усилие на устройство передается стенке 9.

Согласно примеру реализации изобретения, показанному на Фиг.3, для предотвращения выпадения керамического кольца 7 из камеры сгорания 11 предусмотрены средства 14. Средства 14 вворачиваются по резьбе во внутреннюю стенку 10 с ее внутренней стороны. На Фиг.3 также показана выемка 15 на головке 5 поршня. Следует отметить, что различия в поверхностной структуре головки 5 поршня не влияют на точность измерений, поскольку вихретоковый датчик 1 считывает среднее значение общей поверхности, охватываемой магнитным полем.

После калибровки и регулирования измеряемой величины, даже если такая калибровка проводится по типу используемого топлива, вихретоковый датчик 1, настроенный затем на данный двигатель, может быть использован для измерения того, в какой степени двигатель и каждая из исследуемых частей конструкции двигателя подвергается физическому воздействию или оказывает воздействие на торцевой зазор при разных оборотах двигателя, температуре и нагрузках. Кроме того, на основе измерений посредством датчика 1 можно определить также наклон поршня и общий эффект от таких различных факторов, как скольжение, кручение и т.п., а также от масляных пленок.

На Фиг.4 показан альтернативный пример реализации, в котором втулка 8 проходит вокруг корпуса датчика 1 и снабжена резьбой 16 и находится в зацеплении с соответствующей резьбой на высверленном отверстии во внутренней стенке 10. Внутренняя втулка 8' расположена внутри втулки 8. Внутренняя втулка 8' проходит от датчика 1 к стопорному элементу 12. Она выполнена с возможностью смещения внутри внешней втулки 8 и предварительно поджата к датчику посредством стопорного элемента 12. Таким образом, датчик может быть предварительно поджат посредством стопорного элемента 12. Внешняя и внутренняя втулки 8 и 8' предпочтительно снабжены средствами зацепления, такими как желобок, выступ и т.п., (не показано) с тем, чтобы их можно было выкрутить из высверленных отверстий в цилиндре снаружи цилиндра при помощи любых средств, обеспечивающих вращающий момент, например отвертки. После установки и работы, например, с тем чтобы измерить торцевой зазор при нормальной работе двигателя, датчик 1 и присоединенная к нему втулка 8 могут быть заменены резьбовой заглушкой 17, показанной на Фиг.5. Измерения также могут быть проведены с целью калибровки вычислительной системы конкретного двигателя для расчета торцевого зазора перед поставкой двигателя потребителю. Датчик 1 устанавливают таким образом, что его можно было извлечь снаружи головки поршня. Предпочтительно снабдить резьбу любым видом резьбового уплотнения, помещаемого между резьбами, находящимися в зацеплении друг с другом.

На Фиг.6 показано устройство для регулирования или контролирования компрессии в камере сгорания 11 при работе двигателя.

Устройство смещает цилиндровую часть 18 узла мотора по отношению к его картерной части 19. При этом расстояние между торцом головки поршня 5 и внутренней поверхностью цилиндра можно изменять или поддерживать по существу постоянным при различных оборотах двигателя, нагрузках и температурах двигателя.

Цилиндровая часть 18 содержит первый фланец 21, а картерная часть 19 содержит соответствующий фланец 22, выполненный так, чтобы входить в зацепление с первым фланцем 21, при этом устройство содержит средства 20 для смещения цилиндровой части 18 по отношению к картерной части 19 посредством скольжения указанных фланцев 21, 22 относительно друг друга.

В устройстве на Фиг.6 позицией 20 обозначен узел "гидравлический поршень/цилиндр" для смещения цилиндровой части 18 в сторону по отношению к картерной части 19. Удаляемый распорный элемент, предпочтительно прокладочная шайба 29, может быть установлен между узлом "гидравлический поршень/цилиндр" и цилиндровой частью 18 с тем, чтобы в индивидуальном порядке заранее установить смещение цилиндровой части 18, например, перед тем, как цилиндр будет, возможно, прочно соединен с другими цилиндрами. Альтернативно, вместо узла "гидравлический поршень/цилиндр" в этом месте можно установить резьбовую конструкцию, имеющую по существу то же назначение и выполняющую такую же функцию.

На Фиг.7 показан альтернативный вариант устройства, изображенного на Фиг.6, которое содержит вращающиеся валки 24 или аналогичные элементы, установленные эксцентрично и в общем случае имеющие цилиндрическую форму. Валки 24 могут вращаться вокруг оси 25, которая смещена относительно центральной оси соответствующего валка 24. Валок или валки 24 установлены на приводном блоке (не показан на Фиг.7). Позицией 26 обозначен каблук или ленточная опора на первом фланце 21. Каблук предпочтительнее в том случае, когда цилиндры цилиндровой части установлены по-отдельности, а ленточная опора предпочтительнее, когда цилиндры установлены на одном основании. Валки или цилиндры 24 находятся в зацеплении с соответствующими каблуками или ленточными опорами 26 и вызывают смещение цилиндровой части 18 по отношению к картерной части 19 при их качении.

Устройство может быть снабжено средствами 27, такими как прорезиненная ткань, для создания закрытой системы, в которой изолированы поверхности скольжения и, возможно, смазочное масло, которое может на них находиться.

На Фиг.7 показано также кольцо или подшипник 28, установленный на валке 24. Кольцо 28 выполнено из такого материала, который уменьшает трение между валками 24 и каблуком/лентой 26.

Двигатели с раздельными цилиндрами могут иметь отдельные кольца или подшипники 28 для каждого цилиндра с тем, чтобы регулировать каждый цилиндр индивидуально, например, по отношению к номинальному цилиндру.

Конструкция возможного поперечного сечения зацепления частей 21 и 22 показана на Фиг.8, что обеспечивает устойчивое положение частей 21 и 22 в боковом направлении.

В отношении всего, что было описано выше в качестве примера, следует понимать, что возможно также множество альтернативных вариантов, очевидных для специалиста, которые не будут отступать от области изобретения, в том виде, как оно описано в прилигаемой формуле изобретения, основанной на описании и сопровождающих фигурах.

Следует также понимать, что устройство согласно изобретению может содержать всего один вихретоковый датчик 1 для определения торцевого зазора отдельного поршня, при этом измеренный таким образом торцевой зазор может быть использован в качестве базиса для регулирования торцевого зазора и/или компрессии этого индивидуального цилиндра или множества цилиндров многоцилиндрового двигателя. Определение торцевого зазора, т.е. верхней мертвой точки, может проводиться на регулярной основе с тем, чтобы полученную величину можно было использовать для одновременного регулирования компрессии двигателя. Вместе с тем такое определение можно проводить нерегулярно, например, для обновления алгоритма, на основе которого регулируют компрессию двигателя.

Вихретоковый датчик 1 всегда должен быть адаптирован к преобладающим условиям работы, таким как используемое топливо, температура и другие характеристики двигателя. Поэтому более или менее регулярно может понадобиться калибровка датчика.

Как видно на Фиг.7, существует предпочтительный угол поворота α.GIF; поверхности скольжения 21, 22 относительно горизонтальной плоскости, который составляет от минус 15 до 15 градусов.


Формула изобретения


1. Способ определения и регулирования торцевого зазора в положении верхней мертвой точки в поршневых двигателях, в которых положение поршня (5) измеряют посредством измерения расстояния, отличающийся тем, что положение головки поршня определяют посредством вихретокового датчика (1), расположенного в отверстии в головке (9, 10) цилиндра двигателя, а двигатель снабжен средствами (20, 24, 26, 28) варьирования или регулирования компрессии указанного устройства при его работе, при этом компрессию варьируют или регулируют на основе определенного положения верхней мертвой точки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что головка (5) поршня содержит электропроводящий материал, в котором возбуждаются вихревые токи посредством создания тока в катушке (2) вихретокового датчика, при этом измеряют воздействие этих вихревых токов на реактивное сопротивление катушки (2) вихретокового датчика.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что определение положения верхней мертвой точки проводят в динамических условиях работы двигателя.

4. Устройство для определения и регулирования торцевого зазора в положении верхней мертвой точки в поршневых двигателях, в которых положение поршня (5) измеряют посредством электрически управляемого датчика (1), отличающееся тем, что датчик (1) является вихретоковым датчиком, расположенным в отверстии в головке (9, 10) цилиндра двигателя, а устройство соединено со средствами (20, 24, 26, 28) воздействия на компрессию двигателя на основе положения верхней мертвой точки, определенной посредством вихретокового датчика (1).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство содержит катушку (2) и средства (4) возбуждения тока в катушке, при этом указанную катушку (2) размещают таким образом, чтобы возбудить вихревые токи в головке (5) поршня в результате воздействия на нее магнитного поля этой катушки (2).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно содержит катушку (2), реактивное сопротивление которой подвергается действию вихревых токов, возбужденных в головке (5) поршня, при этом определение положения верхней мертвой точки основано на том, насколько указанное реактивное сопротивление изменяется под действием вихревого тока.

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что катушка для возбуждения вихревого тока в головке поршня и катушка, реактивное сопротивление которой подвергается действию вихревого тока, представляют собой одну и ту же измерительную катушку (2), являющуюся частью вихретокового датчика (1).

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один индикатор (3) температуры для индикации температуры, при которой находится вихретоковый датчик (1).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один индикатор (3) температуры содержит катушку (3) сравнения, соединенную с измерительной катушкой посредством моста Витстона (Wheatstone).

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что вихретоковый датчик (1), расположенный в указанном отверстии, по меньшей мере частично закрыт неэлектропроводным материалом.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что указанный неэлектропроводный материал образует кольцо (7) вокруг вихретокового датчика.

12. Устройство по п.4, отличающееся тем, что отверстие проходит через головку (9, 10) цилиндра так, что вихретоковый датчик (1) можно удалить снаружи из смонтированной головки (9, 10) цилиндра через отверстие.

13. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства (20, 24, 26, 28) воздействия на компрессию двигателя включают средства (20, 25) смещения цилиндровой части (18) двигателя по отношению к его картерной части (19).

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что двигатель содержит по меньшей мере два цилиндра, каждый из которых снабжен предназначенным для него вихретоковым датчиком (1), а устройство содержит средства (20, 24, 26, 28) воздействия на компрессию двигателя отдельно для каждого цилиндра.

15. Применение вихретокового датчика (1) в способе по п.1 для определения, посредством измерения расстояния, торцевого зазора в положении верхней мертвой точки в поршневых двигателях.

16. Способ определения торцевого зазора в положении верхней мертвой точки в поршневых двигателях, в которых положение поршня (5) измеряют посредством измерения расстояния, отличающийся тем, что положение головки поршня определяют посредством вихретокового датчика (1), расположенного в отверстии в головке (9, 10) цилиндра двигателя.

17. Устройство для определения торцевого зазора в положении верхней мертвой точки в поршневых двигателях, в которых положение поршня (5) измеряют посредством электрически управляемого датчика (1), отличающееся тем, что датчик (1) является вихретоковым датчиком, расположенным в отверстии в головке (9, 10) цилиндра двигателя.