一种内燃机活塞运行状态的测量装置及方法与流程

1.本说明书一个或多个实施例涉及内燃机活塞检测技术领域，尤其涉及一种内燃机活塞运行状态的测量装置及方法。


背景技术：

2.活塞是内燃机的重要部件，承受着恶劣的热应力和机械应力双重影响，是往复式内燃机中工作条件最严酷的部件。对于活塞裙部的失效主要是异常磨损，其配缸间隙、活塞裙部型线、裙部与缸筒间润滑情况等都会造成裙部的异常磨损。因此，精确地测量活塞在工作过程中的空间状态，会较为容易的确认异常磨损的主要因素。
3.中国专利公开号为cn108167262 a，名称为“一种柴油机用带位置反馈的液压缸结构”中公开了一种柴油机用带位置反馈的液压缸结构，包括液压缸体、传感器导杆、磁环、活塞和拉杆，所述活塞和拉杆为空腔结构，通过压紧螺栓将磁环固定在活塞的空腔内随活塞一起运动，所述活塞固定安装在拉杆的后端，拉杆的前端伸出液压缸体的前端，活塞与液压缸体内侧面滑动接触；所述传感器导杆的一端穿过活塞并伸入拉杆的空腔内，用于检测磁环位置，所述传感器导杆的另一端与液压缸体的后端固定连接。该技术将具备高精度和高可靠性特点的磁致伸缩位移传感器集成在液压缸内，磁环随液压缸活塞运动，通过检测磁环位置，确定活塞位置，从而同时实现位置反馈、结构紧凑和高可靠性的优点。该技术的缺陷在于：只是针对活塞在液压缸内的位置进行确认。而活塞运行状态包含活塞与缸筒间隙、活塞倾斜角度以及活塞受力的变形量等，需要确认的参数精细并复杂的多，仅针对活塞在液压缸内的位置进行确认是不够的。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本说明书的第一个目的在于提供一种内燃机活塞运行状态的测量装置。
5.本说明书的第二个目的在于提供一种利用上述装置对内燃机活塞运行状态进行测量的方法。
6.基于上述第一项目的，本说明书提供如下技术方案：
7.一种内燃机活塞运行状态的测量装置，包括至少一组非接触式位移传感器、缸体、缸体内的活塞、导线、信号放大及采集设备和终端计算设备；
8.所述一组非接触式位移传感器包括四只非接触式位移传感器，其中，所述缸体的左右两侧轴对称分别设置两只非接触式位移传感器，也即，左右两侧的非接触式位移传感器在缸体上同一高度；所述非接触式位移传感器通过导线与信号放大及采集设备相连接；
9.所述信号放大及采集设备通过导线与终端计算设备相连接。
10.作为一种实施方式，所述至少一组非接触式位移传感器是指包括2-5组非接触式位移传感器。
11.作为一种实施方式，所述非接触式位移传感器采用磁电式或者电涡流式。
12.作为一种实施方式，缸体同侧的两只非接触式位移传感器之间的距离为20-40mm；
13.基于上述第二项目的，本说明书提供如下技术方案：
14.一种利用上述装置对内燃机活塞运行状态进行测量的方法，包括如下步骤：
15.1)将设置在缸体左右两侧对称设置的一组非接触式位移传感器分别定义为第一非接触式位移传感器、第二非接触式位移传感器、第三非接触式位移传感器和第四非接触式位移传感器；其中，第一非接触式位移传感器和第三非接触式位移传感器在缸体上同一高度，第二非接触式位移传感器和第四非接触式位移传感器在缸体上同一高度；同侧的第一非接触式位移传感器和第二非接触式位移传感器之间的距离为20-40mm，同侧的第三非接触式位移传感器和第四非接触式位移传感器之间的距离为20-40mm；
16.2)活塞与缸体间隙的测定
17.第一非接触式位移传感器测定出活塞与缸体之间的水平间隙，计为d1；
18.第二非接触式位移传感器测定出活塞与缸体之间的水平间隙，计为d2；
19.第三非接触式位移传感器测定出活塞与缸体之间的水平间隙，计为d3；
20.第四非接触式位移传感器测定出活塞与缸体之间的水平间隙，计为d4；
21.同侧的两个非接触式位移传感器之间的距离计为d0；
22.将一组非接触式位移传感器采集到的所有位移信号经由导线传送至信号放大及采集设备，并再经过导线输送到终端计算设备，终端计算设备具备数据处理及显示能力，可将信号放大及采集设备的数据直接计算出活塞与缸体间隙、活塞倾斜角度以及活塞变形量数据；
23.3)活塞倾斜角度的计算
24.同侧的两个非接触式位移传感器测得的数据可计算出活塞与缸体中心线的倾角θ，计算公式如下：
25.θ＝arctan[(d1-d2)/d0]或θ＝arctan[(d3-d4)/d0]；
[0026]
4)活塞变形量的计算
[0027]
通过缸体上同一高度的两个传感器测得的数据可计算出活塞在运行过程中的变形量δ，计算公式如下：
[0028]
δ＝(d1+d3)－(d’1+d’3)，或
[0029]
δ＝(d2+d4)－(d’2+d’4)。
[0030]
其中，
[0031]
d’1是指在内燃机冷机状态下第一非接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0032]
d’3是指在内燃机冷机状态下第非三接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0033]
d’2是指在内燃机冷机状态下第非二接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0034]
d’4是指在内燃机冷机状态下第非四接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0035]
5)根据获得的活塞与缸体间隙、活塞倾斜角度和活塞变形量的数据推算出活塞行程过程中的工作状态。
[0036]
作为一种优选的实施方式，当非接触式位移传感器设置多组时，重复步骤1)-5)即可得到各组非接触式位移传感器设置位置的活塞与缸筒间隙、活塞倾斜角度以及活塞变形量数据，从而推算出活塞行程过程中的工作状态。
[0037]
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
[0038]
本发明的装置和方法通过在发动机缸体两侧布置的多组非接触式位移传感器，确定出活塞与缸筒间隙、活塞倾斜角度以及活塞受力的变形量等参数，从而直观的描述出内燃机活塞实际运转过程中工作状态。
附图说明
[0039]
图1为本发明测量装置的结构示意图；
[0040]
图2为本发明测量装置的活塞工作状态时结构示意图；
[0041]
图3为内燃机在一个周期内活塞与缸筒间隙实际过程中变化示意图；
[0042]
图4为内燃机在一个周期内活塞倾斜角度实际过程中变化示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。
[0044]
需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
[0045]
实施例1
[0046]
参见图1所示，作为本发明的一个实施例，本发明一种内燃机活塞运行状态的测量装置，包括2组非接触式位移传感器、缸体2、缸体内的活塞3、导线4、信号放大及采集设备5和终端计算设备6；
[0047]
所述2组非接触式位移传感器包括第一组位移传感器101、102、103、104，和第二组位移传感器201、202、203、204；
[0048]
第一组位移传感器包括第一非接触式位移传感器101、第二非接触式位移传感器102、第三非接触式位移传感器103、第四非接触式位移传感器104；
[0049]
第二组位移传感器包括第五非接触式位移传感器201、第六非接触式位移传感器202、第七非接触式位移传感器203、第八非接触式位移传感器204；
[0050]
在第一组位移传感器中，设置在缸体右侧的第一非接触式位移传感器101和设置在左侧的第三非接触式位移传感器103在缸体2上同一高度；设置在缸体右侧的第二非接触式位移传感器102和设置在左侧的第四非接触式位移传感器104在缸体2上同一高度；设置在缸体右侧的第一非接触式位移传感器101和第二非接触式位移传感器102之间的距离为20-40mm，对应设置在缸体左侧的第三非接触式位移传感器103和第四非接触式位移传感器104之间的距离也为20-40mm。
[0051]
同样的，在第二组位移传感器中，设置在缸体右侧的第五非接触式位移传感器201和设置在左侧的第七非接触式位移传感器203在缸体2上同一高度；设置在缸体右侧的第六非接触式位移传感器202和设置在左侧的第八非接触式位移传感器204在缸体2上同一高度；设置在缸体右侧的第五非接触式位移传感器201和第六非接触式位移传感器202之间的距离为20-40mm，对应设置在缸体左侧的第七非接触式位移传感器203和第把非接触式位移传感器204之间的距离也为20-40mm。
[0052]
所述第一非接触式位移传感器101、第二非接触式位移传感器102、第三非接触式位移传感器103、第四非接触式位移传感器104、第五非接触式位移传感器201、第六非接触式位移传感器202、第七非接触式位移传感器203和第八非接触式位移传感器204均通过导线4与信号放大及采集设备5相连接；
[0053]
所述信号放大及采集设备5再通过导线与终端计算设备6相连接。
[0054]
所述非接触式位移传感器采用磁电式或者电涡流式。
[0055]
实施例2
[0056]
参见图2-图4所示，作为本发明的一个实施例，一种利用实施例1的装置对内燃机活塞运行状态进行测量的方法，包括如下步骤：
[0057]
1)将第一非接触式位移传感器101、第二非接触式位移传感器102、第三非接触式位移传感器103和第四非接触式位移传感器104安装到缸体上需要测定活塞和缸体间隙的位置(比如缸体进口、缸体中部等位置)；
[0058]
其中，第一非接触式位移传感器101和第三非接触式位移传感器103在缸体上同一高度，第二非接触式位移传感器102和第四非接触式位移传感器104在缸体上同一高度；同侧的第一非接触式位移传感器101和第二非接触式位移传感器102之间的距离为30mm，同侧的第三非接触式位移传感器103和第四非接触式位移传感器104之间的距离为30mm；
[0059]
2)活塞与缸体间隙的测定，
[0060]
参见图2所示，
[0061]
第一非接触式位移传感器101测定出活塞3与缸体2之间的水平间隙值，计为d1；
[0062]
第二非接触式位移传感器102测定出活塞3与缸体2之间的水平间隙值，计为d2；
[0063]
第三非接触式位移传感器103测定出活塞3与缸体2之间的水平间隙值，计为d3；
[0064]
第四非接触式位移传感器104测定出活塞3与缸体2之间的水平间隙值，计为d4；
[0065]
同侧的两个非接触式位移传感器101、102或103、104之间的距离计为d0；
[0066]
将第一非接触式位移传感器101、第二非接触式位移传感器102、第三非接触式位移传感器103和第四非接触式位移传感器104采集到的位移信号经由导线4传送至信号放大及采集设备5，并再经过导线输送到终端计算设备6，终端计算设备具备数据处理及显示能力，可将信号放大及采集设备的数据直接计算出活塞与缸体间隙、活塞倾斜角度以及活塞变形量数据；
[0067]
可以理解，第一非接触式位移传感器101测得的d1是该位置处活塞3裙部与缸体2内表面间的间隙；不同位置的非接触式位移传感器测得是各处的间隙，此间隙可近似认为是活塞裙部的润滑油膜的厚度，当间隙接近于零时，活塞裙部有磨损风险；图3示出的是现有(某4缸直列内燃机)在实际运行过程中在一个周期内活塞与缸筒间隙实际过程中变化示意图；
[0068]
3)活塞倾斜角度的计算
[0069]
同侧的两个非接触式位移传感器测得的数据可计算出活塞与缸体中心线的倾角θ，计算公式如下：
[0070]
θ＝arctan[(d1-d2)/d0]或θ＝arctan[(d3-d4)/d0]；
[0071]
可以理解，对于右侧的两个位移传感器101、102而言，和左侧的两个位移传感器103、104测得的活塞倾斜角度正好相反，两个活塞倾斜角度的计算值可互相校准；测得的倾角过大或者过小，表示活塞的头部和裙部的边缘有和缸筒接触的风险；图4中是现有某4缸直列内燃机在一个周期内活塞倾斜角度实际过程中变化示意图；
[0072]
4)活塞变形量的计算
[0073]
通过缸体上同一高度的两个传感器测得的数据可计算出活塞在运行过程中的变形量δ，计算公式如下：
[0074]
δ＝(d1+d3)－(d’1+d’3)，或
[0075]
δ＝(d2+d4)－(d’2+d’4)。
[0076]
其中，
[0077]
d’1是指在内燃机冷机状态下第一非接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0078]
d’3是指在内燃机冷机状态下第非三接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0079]
d’2是指在内燃机冷机状态下第非二接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0080]
d’4是指在内燃机冷机状态下第非四接触式位移传感器测量出的活塞与缸体之间的水平间隙值；
[0081]
5)根据获得的活塞与缸体间隙、活塞倾斜角度和活塞变形量的数据推算出活塞行程过程中的工作状态。
[0082]
作为一种优选的实施例，当非接触式位移传感器设置多组时，重复步骤1)-5)即可得到各组非接触式位移传感器设置位置的活塞与缸筒间隙、活塞倾斜角度以及活塞变形量数据，从而更准确地推算出活塞行程过程中的工作状态。
[0083]
如测试过程中，使用2组非接触式位移传感器，如图1中第一组(101、102、103、104)和第二组(201、202、203、204)，根据不同组非接触式位移传感器测出的间隙数据的可计算出不同活塞位置处的活塞状态，如果非接触式位移传感器组数数量足够，则活塞在整个行程中的工作状态都可以被描述出来。
[0084]
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在说明书中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0085]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如
上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0086]
另外，为简化说明和讨论，在阐述了具体细节以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0087]
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
[0088]
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。