專利名稱：內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的監(jiān)測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動力學(xué)，具體地說，涉及內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器(coupling)的動力學(xué)。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是指經(jīng)由曲軸(crankshaft)和互連聯(lián)軸器來傳送內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括例如內(nèi)燃機(jī)的曲軸、撓性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)子、傳動軸(propeller shaft)、齒輪(gear)等。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動力學(xué)對發(fā)動機(jī)性能具有直接影響。而且，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的扭力 (torsional)特性對速度控制器和關(guān)聯(lián)過濾器的性能具有直接影響。為了保持恒定發(fā)動機(jī)速度，需要人工確定適當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù)，以實(shí)現(xiàn)針對瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)載荷條件所需要的行為。必須確定合適的速度-過濾器參數(shù)，以動態(tài)地分離 (decouple)發(fā)動機(jī)與載荷，從而防止速度控制器與撓性聯(lián)軸器的諧振頻率和多個發(fā)電機(jī)組之間的動態(tài)鏈接這兩者相互影響?？梢源_定針對控制器參數(shù)和過濾器參數(shù)的標(biāo)稱值，但是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)最優(yōu)性能而通常需要現(xiàn)場人工地重新調(diào)節(jié)(retime)。用于點(diǎn)火失敗(misfire)的自動檢測和汽缸(cylinder)平衡的許多方法使用根據(jù)曲軸角速度的測量的氣壓扭矩(gas torque)的重建(reconstruction)。另外，對于中速發(fā)動機(jī)來說，通常必需考慮撓性聯(lián)軸器的動力學(xué)。通常由制造商給出針對撓性聯(lián)軸器的動力學(xué)特性的標(biāo)稱值(但是是近似的)。為避免機(jī)械組件的過度磨損，出于安全原因，重要的是，監(jiān)測低速發(fā)動機(jī)和中速發(fā)動機(jī)的曲軸的振動器行為。通常通過測量旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的兩個位置中的一個位置的振動行為來進(jìn)行撓性聯(lián)軸器的監(jiān)測。通過連續(xù)監(jiān)測例如聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)(twist)并且確保振幅不超過確定的限制，來確保該條件。然而，該方法僅用作用于避免過量載荷情況的手段，而不提供與聯(lián)軸器的實(shí)際狀態(tài)(health)相關(guān)的任何信息。因此，可能的情況是，由于先驗(yàn)重度過載而導(dǎo)致聯(lián)軸器的固有頻率(natural frequency)顯著變化，使得聯(lián)軸器的固有頻率移動到接近燃料燃燒所激發(fā)的多個扭矩階次(torque order)中的一個。因?yàn)檫@些低扭矩階次振幅是汽缸的相對輸出影響的函數(shù)，并且可以暫時較低，所以不能通過監(jiān)測聯(lián)軸器的當(dāng)前扭轉(zhuǎn)來檢測危險情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)。在本發(fā)明的一示例性實(shí)施方式中，存在一種能夠確定內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)的方法。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方式中，存在一種能夠確定內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)的系統(tǒng)。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方式中，存在一種能夠確定內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)的裝置。所監(jiān)測的聯(lián)軸器是具有與所述系統(tǒng)相關(guān)的動態(tài)特性的一個或多個經(jīng)連接的旋轉(zhuǎn)組件。組件可以是例如撓性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)子、軸、齒輪等?？梢酝ㄟ^測量所述聯(lián)軸器的兩側(cè)上的角速度并且使用汽缸(cylinder-wise) 噴射燃料量的調(diào)節(jié)來估計(jì)所述聯(lián)軸器的諸如剛度(stiffness)和粘滯阻尼(viscous damping)的動態(tài)參數(shù)。所噴射的燃料量的調(diào)節(jié)用于激發(fā)扭轉(zhuǎn)振動動力學(xué)，S卩，通過角速度測量來監(jiān)測所述聯(lián)軸器在不同的燃料噴射設(shè)定點(diǎn)期間的行為。隨后可以估計(jì)和監(jiān)測所述聯(lián)軸器的剛度和阻尼。可以通過所噴射的燃料量方面的偏移變化來確定(identify)動態(tài)參數(shù)、剛度和粘滯阻尼。燃料量的變化量可以保持相對較小?？梢岳?%-20% (更有利的是 4% _12%，以及最有利的是5% -10% )的燃料量變化來激發(fā)動力學(xué)。利用對所噴射的燃料量的相對較小的調(diào)節(jié)來限制對所述系統(tǒng)的其余部分的影響。利用汽缸燃料噴射調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于通過僅影響所述發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的一個部件來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。還可以在對系統(tǒng)輸出沒有任何顯著影響的情況下執(zhí)行監(jiān)測，因?yàn)橐粋€汽缸中的燃
料噴射方面的變化可以利用到一個或更多個其它汽缸中的燃料噴射方面的相對變化來補(bǔ) m
te ο因此，按照這種方式并且按照這種量來影響(affect)所述系統(tǒng)，以使得本發(fā)明的監(jiān)測可以被設(shè)置為可以在正常工作期間以及在低載荷情況下使用的在線應(yīng)用。


現(xiàn)在將參照附圖來通過示例描述本發(fā)明，附圖中圖1例示了作為雙質(zhì)量集總模型(two-mass lumped model)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型的示例；圖2示出了針對示例性六缸發(fā)動機(jī)描繪了針對階次(order) 1/2、1和3/2的相位 _ (phase-angle)圖；圖3示出了所測量的氣壓扭矩及其三個最低扭矩階次；圖4例示了連接到無限大容量母線(infinite bus)的六缸直列式發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型；圖5示出了針對用于圖4的六缸發(fā)動機(jī)的階次1/2、1和3/2的確定的相位角圖；圖6示出了針對階次1/2的估計(jì)相位角圖；圖7示出了撓性聯(lián)軸器的估計(jì)剛度；圖8示出了針對階次1/2和1的估計(jì)相位角圖；圖9示出了阻尼的估計(jì)值的發(fā)展(development)；圖10示出了針對階次1/2的測試六缸發(fā)動機(jī)的確定的相位角圖；圖IlA示出了在20%的發(fā)動機(jī)載荷下針對階次1/2的估計(jì)相位角圖；圖IlB示出了在50%的發(fā)動機(jī)載荷下針對階次1/2的估計(jì)相位角圖12示出了針對階次1/2和1的估計(jì)相位角圖；圖13示出了發(fā)動機(jī)上的撓性聯(lián)軸器的剛度和阻尼的估計(jì)結(jié)果；圖14示出了用于監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的動態(tài)特性的監(jiān)測系統(tǒng)的一個實(shí)施方式；圖15公開了從飛輪(flywheel)接收到的和從轉(zhuǎn)子接收到的示例測量結(jié)果；以及圖16是公開監(jiān)測方法的示例的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖在下文中更充分地描述對本發(fā)明的討論，其中示出了本發(fā)明的一些實(shí)施方式而不是全部實(shí)施方式。實(shí)際上，本發(fā)明可以按照許多不同的形式來具體實(shí)現(xiàn)，而不應(yīng)當(dāng)被理解為限于這里闡釋的實(shí)施方式；相反，提供這些實(shí)施方式，以使得本公開滿足可適用的法律要求。內(nèi)燃機(jī)的基本動力學(xué)在本部分中，對內(nèi)燃機(jī)的基本動力學(xué)進(jìn)行描述。另外，介紹了對內(nèi)燃機(jī)的曲軸的模型參數(shù)的確定?，F(xiàn)在參照圖1，圖1將發(fā)動機(jī)系統(tǒng)例示為雙質(zhì)量集總模型。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)(例如，大型中速發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組)的主要動態(tài)行為總體上可以用圖1的雙質(zhì)量集總模型來表示。 這里的J1和J2分別表示發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的慣量(inertia)，K1和K2是發(fā)動機(jī)與載荷之間以及載荷與電網(wǎng)(grid)之間的剛度，C1和C2是發(fā)動機(jī)與轉(zhuǎn)子之間以及轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間的粘滯阻尼，而D1是發(fā)動機(jī)的摩擦力。圖1的振動系統(tǒng)可以表達(dá)為
1"i F ^
2 φ,
J.^% + €\φ2 + Κ,φ2-C1 (φ, -φ,)-K1 ( -φ,) = Ml{/),(2)其中，φι( )和(p2(t)分別表示飛輪和載荷的角位置，勿和盧2分別表示飛輪和載荷的角速度，而勿和盧2分別表示飛輪和載荷的角加速度，Ml (t)是影響撓性聯(lián)軸器的載荷側(cè)的外部載荷扭矩，而Me(t)是氣壓扭矩，其取決于燃料噴射。應(yīng)注意到，粘滯阻尼可以如下表達(dá)為剛度的函數(shù)其中，0^是諧振頻率，而K是相對阻尼系數(shù)。在圖2中，針對六缸發(fā)動機(jī)描繪了針對階次1/2、1和3/2的相位角圖。對于內(nèi)燃機(jī)來說，需要分析N。yl/2個最低頻率(其中，Ncyl是汽缸的數(shù)量)，以確定汽缸方面的 (cylinder-wise)扭矩貢獻(xiàn)。這可以通過該發(fā)動機(jī)的特定于發(fā)動機(jī)的相位角圖以及特定于階次的相位角圖來在頻域中進(jìn)行。在圖2中，針對點(diǎn)火順序?yàn)?-5-3-6-2-4的六缸發(fā)動機(jī)描繪了針對階次1/2、1和3/2的相位角圖。應(yīng)注意到，這些相位角圖相對于這些汽缸的上止點(diǎn)(TDC top-dead-centre)旋轉(zhuǎn)。對于內(nèi)燃機(jī)來說，這些質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)行為由一組離散的頻率構(gòu)成，而對于四沖程發(fā)動機(jī)來說，所涉及一組角頻率是ωρ = 2Jifp，p = 0，1/2，1，3/2，...，其中，f是旋轉(zhuǎn)頻率。 數(shù)字P通常稱為頻率階次。在圖2中可以看出，各個階次具有與汽缸的TDC相關(guān)的特定相
位Φρο在圖3中，描繪了所測量的氣壓扭矩51及其三個最低扭矩階次52、53、Μ，其中，曲柄角0度對應(yīng)于汽缸的TDC。標(biāo)號52表示扭矩階次1/2，53表示扭矩階次1，而M表示扭矩階次172。相位Φρ在某種程度上受點(diǎn)火定時和汽缸的當(dāng)前載荷的影響。然而，在汽缸平衡的情況下，可以假定Φρ恒定?，F(xiàn)在致力于使用發(fā)動機(jī)模型以及測量飛輪和撓性聯(lián)軸器的載荷側(cè)的角速度，以重建施加在該飛輪上的疊加(superpose)振蕩扭矩。通過調(diào)節(jié)汽缸方面的燃料噴射持續(xù)時間以及分析所述疊加振蕩扭矩來激發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)，可以確定所考慮的一組階次的特定于發(fā)動機(jī)的相位角圖。而且，通過另外利用與最低扭矩階次Φρ相關(guān)的知識來確定撓性聯(lián)軸器的動力學(xué)。
參數(shù)估計(jì)
曲軸系統(tǒng)的模型(圖1)可以按照其正弦和余弦分量來針對M的給定頻率0^重
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的監(jiān)測方法，其中，測量(110、130)所述聯(lián)軸器的各側(cè)上的角速度，所述監(jiān)測方法包括以下步驟-通過改變所述內(nèi)燃機(jī)的汽缸方面的燃料噴射來激發(fā)所述聯(lián)軸器的動態(tài)特性； -根據(jù)角速度測量來確定汽缸方面的影響；以及-通過結(jié)合預(yù)定的發(fā)動機(jī)參數(shù)和傳動系統(tǒng)參數(shù)分析所述確定的影響來估計(jì)所述聯(lián)軸器的動態(tài)參數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟 -比較所述動態(tài)參數(shù)值與預(yù)定基準(zhǔn)值；以及-基于所述動態(tài)參數(shù)值與所述預(yù)定基準(zhǔn)值之間的差異來指示所述聯(lián)軸器的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，重復(fù)激發(fā)、確定、估計(jì)和比較的方法步驟。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述動態(tài)參數(shù)包括所述聯(lián)軸器的剛度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的方法，其特征在于，針對撓性的動態(tài)參數(shù)包括所述聯(lián)軸器的剛度值和粘滯阻尼值。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，利用到一個或更多個其它汽缸中的燃料噴射方面的變化來補(bǔ)償汽缸方面的燃料噴射變化。
7.一種內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)包括-測量裝置(11、12)，其位于所述聯(lián)軸器的各側(cè)上，用于測量角速度數(shù)據(jù)，以及 -控制單元(3)，其用于接收角速度數(shù)據(jù)， 該監(jiān)測系統(tǒng)的特征在于，控制單元(3)被配置為-通過改變所述內(nèi)燃機(jī)的汽缸方面的燃料噴射來激發(fā)所述聯(lián)軸器的動態(tài)特性； -根據(jù)角速度數(shù)據(jù)來確定汽缸方面的影響；以及-通過結(jié)合預(yù)定的發(fā)動機(jī)參數(shù)和傳動系統(tǒng)參數(shù)分析所述確定的影響來估計(jì)所述聯(lián)軸器的動態(tài)參數(shù)值。
8.一種用于內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的監(jiān)測的控制單元，該控制單元包括 -接收裝置(31、32)，該接收裝置用于接收在所述聯(lián)軸器的各側(cè)上測量的角速度數(shù)據(jù)， 該控制單元的特征在于，所述控制單元還包括-調(diào)節(jié)裝置(36)，該調(diào)節(jié)裝置被設(shè)置為改變所述內(nèi)燃機(jī)O)的汽缸方面的燃料噴射(22)；-確定器裝置(33)，該確定器裝置根據(jù)角速度數(shù)據(jù)來確定汽缸方面的影響； -估計(jì)裝置(34)，該估計(jì)裝置通過結(jié)合預(yù)定的發(fā)動機(jī)參數(shù)和傳動系統(tǒng)參數(shù)分析所述確定的影響來估計(jì)所述聯(lián)軸器的動態(tài)撓性參數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器的監(jiān)測方法，其中，測量(110、130)所述聯(lián)軸器的各側(cè)上的角速度。該方法包括以下步驟通過改變所述內(nèi)燃機(jī)的汽缸方面的燃料噴射來激發(fā)所述聯(lián)軸器的動態(tài)特性；根據(jù)角速度測量來確定汽缸方面的影響；以及通過結(jié)合預(yù)定的發(fā)動機(jī)參數(shù)和傳動系統(tǒng)參數(shù)分析所述確定的影響來估計(jì)所述聯(lián)軸器的所述動態(tài)特性。本發(fā)明還涉及控制單元和監(jiān)測系統(tǒng)。
文檔編號F02D41/14GK102365444SQ201080013770
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者弗雷德里克·奧斯特曼 申請人:瓦錫蘭芬蘭有限公司