相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉引用

本美國(guó)專利申請(qǐng)要求2014年10月30日提交的、序列號(hào)為62/072,520的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)和2015年6月18日提交的、序列號(hào)為14/743,221的美國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，這些專利申請(qǐng)?jiān)诖送ㄟ^引用整體并入本文。

發(fā)明背景

1.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及用于在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試期間監(jiān)控活塞狀態(tài)的系統(tǒng)，更具體地，涉及用于為監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞狀態(tài)的裝置提供能量的系統(tǒng)。

2.相關(guān)技術(shù)

內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在把發(fā)動(dòng)機(jī)投入市場(chǎng)之前，通常進(jìn)行模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的測(cè)試。出于性能和持久性的目的，發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)部件都進(jìn)行評(píng)估。這樣的測(cè)試包括長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)(例如幾個(gè)星期或幾個(gè)月)，并且在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)部件的性能。例如，應(yīng)當(dāng)監(jiān)控活塞以確認(rèn)活塞和發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)測(cè)試期間內(nèi)保持可接受的工作溫度。

然而，評(píng)估內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)部件(諸如活塞)通常是非常困難的，原因在于這些部件不容易接近而且在極端環(huán)境中運(yùn)行。為了適當(dāng)?shù)卦u(píng)估這樣的部件，許多發(fā)動(dòng)機(jī)制造商對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行很大的改變，以便容納各種聯(lián)接和傳輸系統(tǒng)。這樣的修改方案不僅昂貴且費(fèi)時(shí)，而且也是不期望的，原因在于被測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)是高要求的并且制作成本高，特別是在很早期的開發(fā)階段期間。

某些發(fā)動(dòng)機(jī)制造商使用的另一種方法是將諸如帶有無線發(fā)射器/接收器的數(shù)據(jù)采集組件的電子裝置附接到發(fā)動(dòng)機(jī)部件。除了無線發(fā)射器以外，這樣的數(shù)據(jù)采集器組件通常包括電池、多個(gè)傳感器、至少一個(gè)處理器和緩沖存儲(chǔ)器，所述緩沖存儲(chǔ)器被配置成僅在數(shù)據(jù)經(jīng)由無線發(fā)射器發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試開始前不久，必須由人工啟動(dòng)數(shù)據(jù)收集器組件。在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試期間，來自電池的大量電力被無線發(fā)射器/接收器用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。

在費(fèi)德羅-莫格爾公司的、專利號(hào)為8,843,341的美國(guó)專利中公開了另一種用于監(jiān)控諸如活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)收集器組件，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試期間收集和存儲(chǔ)與活塞的至少一個(gè)狀態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集器組件還包括用于在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試期間檢測(cè)內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)部件的狀態(tài)并生成與所檢測(cè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)的傳感器，以及將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)收集器組件還包括用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器和時(shí)鐘。數(shù)據(jù)收集器組件還包括與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器和時(shí)鐘進(jìn)行電通信的處理器。處理器被配置成處理數(shù)字信號(hào)并將與數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上。至少一個(gè)電源(諸如電池)電連接到傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、處理器和時(shí)鐘。在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試期間，傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、處理器和時(shí)鐘被配置成基本上是從電源獲取電能的僅有的裝置。與用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)部件的其它已知數(shù)據(jù)收集器組件相比，該數(shù)據(jù)收集器組件是有優(yōu)勢(shì)的，原因在于其沒有耗電的無線發(fā)射器/接收器，由此允許采用較小的電源。除了提供包裝優(yōu)勢(shì)以外，當(dāng)在極端環(huán)境下運(yùn)行時(shí)(諸如在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的那些環(huán)境)，較小的電源(諸如電池)通常比較大的電源更可靠。

雖然在專利號(hào)為8,843,341的美國(guó)專利中公開的系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是用于為數(shù)據(jù)收集器組件提供電力的電池的尺寸通常限制了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試持續(xù)的時(shí)間。作為電池的替代物，無線電力傳輸系統(tǒng)可用于為數(shù)據(jù)收集器組件提供電力。然而，這種無線傳輸系統(tǒng)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體做出重大且代價(jià)高昂的修改，這不是發(fā)動(dòng)機(jī)制造商所期望的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種改進(jìn)的活塞組件，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用活塞的同時(shí)監(jiān)控活塞和/或內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一種運(yùn)行狀態(tài)?；钊ㄈ紵氡砻婧突钊攦?nèi)表面，燃燒碗表面暴露于來自發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱量之下，活塞頂內(nèi)表面朝向與燃燒碗表面相反以暴露于冷卻介質(zhì)之下。電子儀表單元耦接至活塞，用于監(jiān)控活塞和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)。熱電模塊耦接至電子儀表單元和活塞頂內(nèi)表面，用于暴露于冷卻介質(zhì)和來自燃燒室的熱量之下。熱電模塊將冷卻介質(zhì)和來自燃燒室的熱量之間的溫差轉(zhuǎn)換成能量，并將該能量傳輸?shù)诫娮觾x表單元。

本發(fā)明的另一方面提供用于在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用活塞期間監(jiān)控活塞和/或內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電子儀表單元，用于耦接至活塞并監(jiān)控活塞和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)。熱電模塊耦接至電子儀表單元，以耦接至活塞并將冷卻流體和來自燃燒室的熱量之間的溫差轉(zhuǎn)換成能量，并將所述能量傳輸?shù)诫娮觾x表單元。

本發(fā)明的又一方面提供用于在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用活塞期間監(jiān)控活塞和/或內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)的方法。該方法包括提供包括活塞的活塞組件。活塞包括燃燒碗表面和朝向與燃燒碗表面相反的活塞頂內(nèi)表面?；钊M件還包括耦接至活塞的電子儀表單元，用于監(jiān)控活塞和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的所述至少一個(gè)狀態(tài)，以及包括耦接至電子儀表單元和活塞頂內(nèi)表面的熱電模塊。該方法還包括使燃燒碗表面暴露于來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱量之下；向熱電模塊施加冷卻介質(zhì)；使用熱電模塊將冷卻介質(zhì)與來自燃燒室的熱量之間的溫差轉(zhuǎn)換成能量；以及將能量從熱電模塊傳輸?shù)诫娮觾x表單元。

本發(fā)明的活塞組件、系統(tǒng)和方法提供了許多優(yōu)點(diǎn)。由于活塞部分被燃燒室連續(xù)地加熱，而其它部分被冷卻流體連續(xù)噴射，熱電模塊能夠在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試持續(xù)時(shí)間以恒定的熱通量向電子儀表單元提供電能。測(cè)試持續(xù)時(shí)間不再受可用能量總量的限制。此外，熱電模塊是具有耐用結(jié)構(gòu)的固態(tài)設(shè)計(jì)，并且不需要活塞外部的可移動(dòng)的零件或部件。因此，熱電模塊允許在更快的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和更高的溫度下運(yùn)行。此外，熱電模塊的尺寸、質(zhì)量和位置可以被選擇成使得熱電模塊不干擾或妨礙正被測(cè)試的活塞或發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

附圖說明

因?yàn)閰⒖家韵略敿?xì)說明并結(jié)合附圖考慮時(shí)可以更好地理解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，所以其將很容易被理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的改進(jìn)監(jiān)控組件的透視圖，其包括耦接至活塞的電子儀表單元和熱電模塊；

圖2是根據(jù)示例性實(shí)施例的耦接至活塞的改進(jìn)監(jiān)控組件的另一個(gè)透視圖；

圖3是根據(jù)示例性實(shí)施例的活塞的剖視圖，其中顯示冷卻油正被噴射到熱電模塊上；

圖4示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例將電能從熱電模塊傳輸?shù)诫娮觾x表單元；以及

圖5示出了根據(jù)另一示例性實(shí)施例將電能從熱電模塊傳輸?shù)诫娮觾x表單元。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用活塞20期間監(jiān)控至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(諸如活塞20的溫度)的改進(jìn)組件。通常該組件被用在由發(fā)動(dòng)機(jī)制造商操作的測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)中，以使制造商可以在把發(fā)動(dòng)機(jī)投入市場(chǎng)之前評(píng)估活塞20的性能和耐用性。該組件包括用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)和/或活塞20的運(yùn)行狀態(tài)的電子儀表單元22，以及用于在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過程中為電子儀表單元22提供電能的熱電模塊24。

可以使用本發(fā)明的組件監(jiān)控任何類型的活塞20。在圖1-3所示的示例性實(shí)施例中，活塞20包括單件鑄件設(shè)計(jì)，其包括限定燃燒碗表面28和朝向相反的活塞頂內(nèi)表面30的冠部26。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，燃燒碗表面28直接暴露于燃燒室中的高溫氣體之下，而來自于燃燒室的熱量通過冠部26傳遞到活塞頂內(nèi)表面30。為了降低冠部26的溫度，冷卻介質(zhì)供應(yīng)源56向活塞頂內(nèi)表面30提供冷卻介質(zhì)32。在示例性實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)供應(yīng)源56是噴嘴，而冷卻介質(zhì)32是液體(諸如冷卻油)，后者被連續(xù)地噴射到活塞頂內(nèi)表面30上。冠部26還包括環(huán)形帶34，該環(huán)形帶34包括多個(gè)用于保持活塞環(huán)(未示出)的環(huán)形凹槽36。

活塞20還包括從環(huán)形帶34下垂的下部38。下部38包括被銷座42彼此隔開的一對(duì)裙部40。每個(gè)銷座42限定銷孔44，用于接納耦接于連桿(未示出)的活塞銷(未示出)。雖然圖1-3的活塞20是單件鑄件設(shè)計(jì)，但活塞20可包括其它設(shè)計(jì)。例如，冠部26和下部38可以焊接或以其他方式連接在一起。

如圖1-3所示，熱電模塊24(也稱為熱電發(fā)電機(jī))被熱耦接到活塞20的暴露于溫度流量之中的部分，其可以是活塞20的任何提供熱量并且暴露于冷卻介質(zhì)(諸如冷卻流體32)中的部分。在示例性實(shí)施例中，熱電模塊24沿著活塞20的中心軸耦接至活塞頂內(nèi)表面30。因此，如圖3所示，來自于燃燒室的熱量通過冠部26傳遞到熱電模塊24，而同時(shí)冷卻流體32被噴射到活塞頂內(nèi)表面30和熱電模塊24。根據(jù)被稱為賽貝克效應(yīng)(seebeckeffect)或熱電效應(yīng)的現(xiàn)象，熱電模塊24將該溫差直接轉(zhuǎn)換成電能。不管測(cè)試持續(xù)時(shí)間有多長(zhǎng)，在熱電模塊24處的溫差在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中都存在。因此，熱電模塊24能夠在整個(gè)測(cè)試持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生電能，并且測(cè)試的持續(xù)時(shí)間不受限于電子儀表單元22可用能量的量。

可以采用各種不同類型的熱電模塊24。在示例性實(shí)施例中，熱電模塊24的尺寸和質(zhì)量被選擇成使得熱電模塊24不妨礙活塞20的運(yùn)行或被測(cè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。此外，在示例性實(shí)施例中，熱電模塊24被方便地放置于中心軸處，并沿著活塞20的活塞頂內(nèi)表面30。因此，熱電模塊24允許活塞20保持軸向平衡，并且不干擾活塞銷或連桿。此外，可以用各種不同的方法將熱電模塊24耦接至活塞20。然而，在各種情形下，熱電模塊24應(yīng)當(dāng)被熱耦接，從而使得熱電模塊24不絕緣，并且來自于活塞20的熱量不會(huì)損失。在示例性實(shí)施例中，熱電模塊24使用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂耦接至活塞20，以將熱電模塊24的溫度保持在活塞頂內(nèi)表面30的溫度或接近活塞20的活塞頂內(nèi)表面30的溫度。另外，盡管未示出，所述組件還可以包括串聯(lián)連接的多個(gè)熱電模塊24。除了熱電模塊24以外，該組件還可以包括至少一種其它類型的電源，諸如電池。

熱電模塊24電連接到電子儀表單元22，并且由熱電模塊24提供的電能被傳輸?shù)诫娮觾x表單元22，以在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試期間為電子儀表單元22供電。在該示例性實(shí)施例中，熱電模塊24通過多根電線46電連接至電子儀表單元22，這些電線用環(huán)氧樹脂或粘接劑附接到活塞20并被方便地布置，以免干擾活塞20的性能。由于在熱電模塊124處的溫度通量存在于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的整個(gè)持續(xù)時(shí)間，所以電能也可以在測(cè)試的整個(gè)持續(xù)時(shí)間被供應(yīng)到電子儀表單元22。

電子儀表單元22可包括能夠監(jiān)控活塞20和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)的各種不同的設(shè)計(jì)。電子儀表單元22包括接地端和用于典型地通過電線46從熱電模塊24接收能量的電力輸入端。電子儀表單元22還包括數(shù)據(jù)收集器，該數(shù)據(jù)收集器可用于檢測(cè)活塞20和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)(諸如活塞的溫度)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以及發(fā)送數(shù)據(jù)到外部計(jì)算機(jī)以供發(fā)動(dòng)機(jī)制造商分析。在專利號(hào)為8,843,341的美國(guó)專利中描述了一個(gè)示例性數(shù)據(jù)收集器，該專利在此通過引用整體并入本文。

在圖1-3所示的示例性實(shí)施例中，電子儀表單元22連接到設(shè)置在活塞20上不同位置處的多個(gè)熱電偶48，以測(cè)量不同位置處的溫度。熱電偶48將活塞20在不同位置處的溫度提供給電子儀表單元22。示例性實(shí)施例的電子儀表單元22還可以安裝于活塞20的其中一個(gè)銷座42外側(cè)的板的形式提供。穿過板和活塞20鉆孔，并把緊固器(諸如對(duì)峙缸50)穿過孔插入，以將板固定到活塞20上。然而，電子儀表單元22可以替代地包括多個(gè)板，所述板可以沿活塞20的另一部分布置，并且可以使用其它方法耦接至活塞20。在示例性實(shí)施例中，電子儀表單元22還包括用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、處理器和用于發(fā)送數(shù)據(jù)到外部計(jì)算機(jī)以供發(fā)動(dòng)機(jī)制造商評(píng)估的無線電裝置。

圖4和5展示了用于產(chǎn)生電能并將電能從熱電模塊24傳輸?shù)诫娮觾x表單元22的兩個(gè)示例性實(shí)施例。圖4顯示第一實(shí)施例，其中熱電模塊24的一側(cè)直接接觸加熱的活塞20，而另一側(cè)直接接觸冷卻流體32的噴液。另外，熱電模塊24的每一側(cè)與電子儀表單元22的電源和接地端電接觸。熱電模塊24將加熱的活塞20與冷卻流體32之間的溫差(δt)轉(zhuǎn)換成電能(δv)，然后將電能直接傳輸?shù)诫娮觾x表單元22。

圖5展示了用于產(chǎn)生電能并將電能從熱電模塊24傳輸?shù)诫娮觾x表單元22的第二實(shí)施例。在該實(shí)施例中，熱電模塊24的一側(cè)仍然直接接觸加熱的活塞20。然而，熱電模塊24的相對(duì)側(cè)被連接到獨(dú)立的散熱器52，而散熱器52直接接觸冷卻流體32的噴液。熱電模塊24將加熱的活塞20與散熱器52之間的溫差(δt)轉(zhuǎn)換成電能(δv)。

同樣在圖5的實(shí)施例中，電力管理電子裝置54設(shè)置于熱電模塊24和電子儀表單元22之間，并且熱電模塊24的每一側(cè)與電力管理電子裝置54的電源和接地端電連接。因此，代替把電能直接傳輸?shù)诫娮觾x表單元22，熱電模塊24將電能傳輸?shù)诫娏芾黼娮友b置54的電源和接地端。電力管理電子裝置54通常用于由熱電模塊24所提供的電能(δv)不足，或不是電子儀表單元22所要求的形式的情況。例如，電力管理電子裝置54可以在將電能傳輸?shù)诫娮觾x表單元22之前增大電壓并減小電流?？梢允褂酶鞣N不同類型的電力管理電子裝置54。然而，在該示例性實(shí)施例中，電力管理電子裝置54包括提升電壓的dc-dc轉(zhuǎn)換器，從而使得提供給電子儀表單元22的電壓處在優(yōu)選的2到5伏特的水平。本發(fā)明的另一方面提供用于監(jiān)控在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用期間的活塞20和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)的改進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電子儀表單元22、熱電模塊24、可選的散熱器52和以上描述的可選的電力管理電子裝置54。該系統(tǒng)還包括用于向活塞頂內(nèi)表面30和熱電模塊24提供冷卻介質(zhì)32的冷卻介質(zhì)供應(yīng)源56。

本發(fā)明的又一方面提供了一種改進(jìn)的方法，用于使用上述的電子儀表單元22、熱電模塊24、可選的散熱器52和可選的電力管理電子裝置54來監(jiān)控在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用期間的活塞20和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)。

該方法首先包括提供活塞組件，其優(yōu)選包括將熱電模塊24設(shè)置在活塞20的中心軸處。該方法然后包括將燃燒碗表面28暴露于來自發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱量之下；并將冷卻介質(zhì)32施加到熱電模塊24，例如，通過向熱電模塊24和活塞頂內(nèi)表面30噴射冷卻流體。向熱電模塊24施加冷卻介質(zhì)32的步驟還可以包括把冷卻介質(zhì)32施加到散熱器52。

該方法還包括使用熱電模塊24將冷卻介質(zhì)32與來自于燃燒室的熱量之間的溫差轉(zhuǎn)換成能量；以及將該能量從熱電模塊24傳輸?shù)诫娮觾x表單元22。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括在將該能量從熱電模塊24傳輸?shù)诫娮觾x表單元22之前，使用電力管理電子裝置54調(diào)節(jié)該能量。最后，該方法包括使用電子儀表單元22和由熱電模塊24提供的能量來收集關(guān)于活塞20和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

顯然，鑒于以上的教導(dǎo)，本發(fā)明的多個(gè)修正方案和變例都是可行的，這些修正方案和變例可以以不同于在此具體描述的方式被實(shí)施，但仍然包括在以下的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。