ES2261071B1 - COMPREHENSIVE MONITORING SYSTEM IN EXPLOSION ALTERNATIVE ENGINES. - Google Patents
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Abstract
Sistema de monitorización de comprensión en motores alternativos de explosión formado por los siguientes elementos: un elemento captador conectado externamente a la culata del cilindro del motor, un sensor de vibraciones o de ultrasonido, un sensor exterior opcional de temperatura, un analizador electrónico, un transmisor de señal, circuitos electrónicos de muestreo y análisis de vibraciones o ultrasonido, y opcionalmente de temperatura, uno o varios elementos de información óptica, acústica y numérica codificada en correspondencia con la eficacia de la carrera de comprensión del motor, un receptor remoto de señal, y opcionalmente una computadora para tratamiento de la información recibida del estado del motor (figura 1). Resuelve el problema de vigilancia continua del rendimiento del ciclo del motor mediante un sistema totalmente externo. Reduce consumo de combustible y polución atmosférica. Reduce mantenimiento detectando fallos incipientes en la válvula de escape, que pueden ser reparados antes de producirse una avería importante.Understanding monitoring system in alternative explosion engines consisting of the following elements: a pickup element connected externally to the cylinder head of the engine, a vibration or ultrasound sensor, an optional external temperature sensor, an electronic analyzer, a transmitter of signal, electronic circuits of sampling and analysis of vibrations or ultrasound, and optionally of temperature, one or several elements of optical, acoustic and numerical information coded in correspondence with the efficiency of the race of understanding of the motor, a remote signal receiver, and optionally a computer for processing the information received from the state of the engine (figure 1). It solves the problem of continuous monitoring of the motor cycle performance by means of a totally external system. Reduces fuel consumption and atmospheric pollution. Reduces maintenance by detecting incipient failures in the exhaust valve, which can be repaired before a major breakdown occurs.
Description
Sistema de monitorización de compresión en motores alternativos de explosión.Compression monitoring system in alternative explosion engines.
La presente especificación se refiere a una patente de invención correspondiente a un nuevo prototipo de sistema de monitorización de compresión en motores de combustión interna, que puede ser aplicado a todo tipo de motores alternativos de explosión en cuyo ciclo termodinámico exista un proceso físico de compresión.This specification refers to a invention patent corresponding to a new prototype of Compression monitoring system in combustion engines internal, which can be applied to all types of alternative engines of explosion in whose thermodynamic cycle there is a physical process Of compression.
El estado actual del arte relacionado con el análisis del ciclo termodinámico en motores alternativos de combustión interna y concretamente con el análisis del proceso de compresión en el interior del cilindro se realiza mediante un dispositivo de medida de presión conectado en el interior del cilindro del motor, que registra la evolución de la presión a lo largo del proceso de compresión del ciclo termodinámico del motor. Esto requiere instalar permanentemente un sensor de presión en el interior del cilindro, por lo que este procedimiento se utiliza en bancos de ensayo cuyo objeto es la determinación de los parámetros y características de funcionamiento del motor ensayado, pero no es de aplicación a motores en estado de utilización real.The current state of the art related to the analysis of the thermodynamic cycle in alternative engines of internal combustion and specifically with the analysis of the process of compression inside the cylinder is done by a pressure measuring device connected inside the engine cylinder, which records the evolution of the pressure at throughout the process of compression of the thermodynamic cycle of the engine. This requires permanently installing a pressure sensor in the inside the cylinder, so this procedure is used in test benches whose purpose is the determination of the parameters and performance characteristics of the tested engine, but it is not of application to motors in real state of use.
De otra parte, es un hecho bien conocido que el rendimiento termodinámico y, por tanto, la máxima potencia obtenida de un motor alternativo de explosión depende, entre otros parámetros, de la máxima presión alcanzada en el proceso de compresión de su ciclo termodinámico. Por consiguiente, las pérdidas de compresión originadas por defectos o desgaste natural de los elementos de sellado del cilindro (segmentos, válvulas de admisión, válvulas de escape, conexiones de inyectores de combustible, conexiones de sistemas de encendido, superficies de juntas de culata, etc) afectan muy desfavorablemente al rendimiento del motor y son causa frecuente de pérdidas de energía, combustión incompleta del combustible y emisión atmosférica de gases contaminantes como el monóxido de carbono.On the other hand, it is a well known fact that the thermodynamic performance and, therefore, the maximum power obtained an alternative explosion engine depends, among others parameters, of the maximum pressure reached in the process of compression of its thermodynamic cycle. Therefore, the compression losses caused by defects or natural wear of the cylinder sealing elements (segments, valves intake, exhaust valves, injector connections fuel, ignition system connections, surfaces cylinder head gaskets, etc.) affect performance very unfavorably of the engine and are a frequent cause of energy losses, combustion incomplete fuel and atmospheric emission of gases pollutants such as carbon monoxide.
El nuevo prototipo de sistema de monitorización de compresión en motores alternativos de explosión objeto de esta invención resuelve satisfactoriamente todos los problemas e inconvenientes presentes en los sistemas descritos en el actual estado del arte ya que se trata de un sistema totalmente externo, que puede ser instalado en cualquier motor alternativo en cualquier instante de su vida útil, sin modificar los elementos del motor; su instalación no requiere realizar ninguna conexión interna con los cilindros del motor ya que las pérdidas de compresión no se detectan por medida directa de presión en el interior de los cilindros sino por medición indirecta basada en la monitorización de vibraciones, ultrasonidos y temperatura en el bloque motor o en los elementos conectados al mismo (colectores de escape, etc.), que son procesados y comparados de forma continua por un analizador electrónico, basado en microprocesador, con objeto de determinar cualquier irregularidad originada por la aparición de fugas de gas a través de cualquier elemento de sellado del cilindro durante el proceso de compresión del ciclo termodinámico del motor alternativo.The new prototype monitoring system compression in alternative explosion engines subject to this invention successfully solves all problems and inconveniences present in the systems described in the current state of the art since it is a totally external system, which can be installed on any alternative engine in any instant of its useful life, without modifying the engine elements; its installation does not require any internal connection to the engine cylinders since compression losses are not they detect by direct measurement of pressure inside the cylinders but by indirect measurement based on the monitoring of vibrations, ultrasound and temperature in the engine block or in the elements connected to it (exhaust manifolds, etc.), which are continuously processed and compared by an analyzer electronic, microprocessor based, in order to determine any irregularity caused by the appearance of gas leaks through any sealing element of the cylinder during the compression process of the motor thermodynamic cycle alternative.
Una de las características novedosas del nuevo prototipo objeto de esta invención es el hecho de ser un sistema de medida indirecto y totalmente externo al motor, que puede ser instalado y desinstalado durante la marcha del motor, sin requerir modificación alguna del mismo; esto aporta enorme flexibilidad al sistema que puede ser utilizado bien sea de forma continua como un equipo más integrante del propio motor con indicador en el cuadro de instrumentos de abordo o bien como herramienta o sistema de análisis de un banco de pruebas de motores alternativos.One of the novel features of the new The prototype object of this invention is the fact that it is a system of indirect measure and totally external to the engine, which can be installed and uninstalled during engine running, without requiring any modification thereof; this gives enormous flexibility to system that can be used either continuously as a more integral equipment of the own motor with indicator in the picture of onboard instruments or as a tool or system of Analysis of an alternative engine test bench.
El nuevo prototipo objeto de esta invención tiene innumerables aplicaciones en la vida real debido al masivo uso de motores de explosión tanto en la industria (generación de energía eléctrica en centrales térmicas, etc.) como en los medios de transporte de personas y mercancías (automóviles, barcos, aviones, trenes, etc.). Adicionalmente, por la misma razón, contribuye enormemente al ahorro energético y reducción de polución atmosférica al detectar fallos de compresión en motores alternativos que se traducen en pérdidas de rendimiento y combustión incompleta en motores alternativos con emisiones de gases tóxicos o nocivos como el monóxido de carbono, causante del llamado efecto invernadero en la atmósfera terrestre.The new prototype object of this invention It has countless applications in real life due to the massive use of explosion engines both in the industry (power generation electrical in thermal power plants, etc.) as in the means of transport of people and goods (cars, ships, airplanes, trains, etc.) Additionally, for the same reason, it contributes greatly to energy saving and reduction of atmospheric pollution when detecting compression failures in alternative engines that translate into performance losses and incomplete combustion in alternative engines with toxic or harmful gas emissions such as carbon monoxide, the cause of the so-called greenhouse effect in Earth's atmosphere
Desde el punto de vista económico, el nuevo prototipo objeto de esta invención tiene un elevado interés ya que permite detectar incipientes fisuras y grietas en elementos críticos del motor tales como los platillos de las válvulas de admisión y de escape, segmentos del cilindro, etc., justo en el momento en el que las citadas fisuras o grietas empiezan a producirse. Esta información permite tomar medidas correctoras oportunas con suficiente antelación para evitar conocidos accidentes en grandes motores marinos, que se producen al progresar las mencionadas grietas llegando a la rotura del platillo de las citadas válvulas, que irrumpen en el interior cilindro, generando cuantiosos daños económicos que obligan a una parada no programada ni deseada del motor, La detección temprana del tipo de averías descrita reduce el coste de mantenimiento del motor al permitir realizar pequeñas reparaciones de los elementos dañados que de otro modo requerirían su sustitución.From the economic point of view, the new Prototype object of this invention has a high interest since allows to detect incipient fissures and cracks in critical elements of the engine such as the inlet valve plates and exhaust, cylinder segments, etc., just at the moment when the fissures or cracks begin to occur. This information allows timely corrective action with well in advance to avoid known accidents in large marine engines, which occur as the aforementioned progress cracks reaching the saucer breakage of the aforementioned valves, that break inside the cylinder, generating considerable damage economic that force an unscheduled or unwanted stop of the engine, Early detection of the type of breakdown described reduces the engine maintenance cost by allowing small repairs of damaged items that would otherwise require its replacement
Desde el punto de vista de la seguridad, prototipo objeto de esta invención también tiene un notable interés, pues la monitorización continua de la eficiencia de compresión del motor conduce al conocimiento temprano de la aparición de grietas citadas en el párrafo anterior y puede evitar la parada de un barco (mercante, petrolero, trasatlántico, etc) en situaciones y lugares imprevisibles (en medio de una tormenta, en un canal o río navegable, etc.), donde las condiciones de maniobra y navegación se hallan restringidas y una parada del motor puede conducir a accidentes catastróficos para bienes, personas o medio ambiente.From a security point of view, prototype object of this invention also has a remarkable interest, because the continuous monitoring of the efficiency of engine compression leads to early knowledge of the appearance of cracks cited in the previous paragraph and can avoid the stop of a ship (merchant, tanker, ocean liner, etc.) in unpredictable situations and places (in the middle of a storm, in a navigable channel or river, etc.), where the maneuver conditions and navigation is restricted and an engine stop can lead to catastrophic accidents for goods, people or means ambient.
El nuevo prototipo objeto de esta invención, suministra uno o varios de los siguientes tipos de información: óptica, acústica o alfanumérica codificada. La información óptica consiste en un indicador, que puede presentar varios estados (encendido, apagado, parpadeo u ordinal) y colores, dependiendo de la naturaleza o magnitud de la pérdida de compresión detectada en el motor. La información acústica identifica los mismos estados que la información óptica por medio de tonos audibles. La información alfanumérica codificada contiene la misma información ya descrita anteriormente y en adición un código de identificación del cilindro donde el sistema detecte fugas de gases indebidas o falta de eficiencia en la carrera de compresión del ciclo termodinámico del motor; los datos correspondientes son enviados a distintos elementos receptores tales como paneles de control, PC, o elementos receptores remotos utilizando cualquier medio de transmisión de datos, incluyendo transmisión mediante cable, radiofrecuencia, módem, Internet, GPS, u otro sistema de transmisión de datos habitual. Una vez recibidos los datos un potente software realiza la gestión computerizada de la información y genera las órdenes, acciones, e informes que permiten al usuario no sólo conocer los fallos o deficiencias detectados sino o tomar las decisiones necesarias para corregirlos y/o repararlos.The new prototype object of this invention, Provide one or more of the following types of information: optical, acoustic or alphanumeric encoded. Optical information It consists of an indicator, which can present several states (on, off, blinking or ordinal) and colors, depending on the nature or magnitude of the loss of compression detected in the motor. Acoustic information identifies the same states as optical information through audible tones. Information Alphanumeric encoded contains the same information already described previously and in addition a cylinder identification code where the system detects undue gas leaks or lack of compression stroke efficiency of the thermodynamic cycle of engine; the corresponding data are sent to different Receiving elements such as control panels, PCs, or elements remote receivers using any means of transmission of data, including cable transmission, radio frequency, modem, Internet, GPS, or other data transmission system habitual. Once the data is received, a powerful software performs computerized information management and generates orders, actions, and reports that allow the user not only to know the failures or deficiencies detected but or make decisions necessary to correct and / or repair them.
La Figura 1 representa el nuevo prototipo objeto de esta invención, aplicado sobre la parte superior de un cilindro de un motor alternativo de explosión marino, estando constituido por los siguientes elementos:Figure 1 represents the new object prototype of this invention, applied on top of a cylinder of an alternative marine explosion engine, being constituted for the following elements:
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- Un elemento captador (C), compuesto por una carcasa metálica (cuerpo y tapa) que aloja en su interior un circuito electrónico basado en microprocesador. La base de la carcasa dispone de un elemento de conexión mecánica para su fijación a cualquier tornillo (T) o parte rígida de la culata del cilindro del motor próxima a la p válvula de escape (V) de dicho cilindro. La fijación del captador se realiza mediante una pletina perforada, abrazadera o similar. La tapa de la carcasa del captador (C) dispone de varios orificios con pasamuros herméticos resistentes al calor a través de los cuales se conecta un sensor de temperatura opcional, y los cables de alimentación y de señal eléctrica del sistema. Estos orificios no son necesarios cuando la información del sistema se transmite vía radio frecuencia y el captador se alimenta mediante baterías.A pickup element (C), composed of a metal housing (body and cover) that houses in its Inside an electronic circuit based on microprocessor. Base The housing has a mechanical connection element for its fixing to any screw (T) or rigid part of the cylinder head engine cylinder next to the exhaust valve p (V) of said cylinder. The sensor is fixed by means of a plate perforated, clamp or similar. The collector housing cover (C) has several holes with strong hermetic bushings to the heat through which a temperature sensor is connected optional, and the power and electrical signal cables of the system. These holes are not necessary when the information in the system is transmitted via radio frequency and the collector is powered by batteries
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- Un sensor de vibraciones o de ultrasonido alojado en el interior de la carcasa conectado mecánicamente al elemento (E) y eléctricamente al circuito electrónico del captador.A vibration sensor or ultrasound housed inside the connected housing mechanically to the element (E) and electrically to the circuit electronic of the collector.
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- Un sensor exterior opcional de temperatura, que puede ser conectado al colector de escape para medir la temperatura de los gases de escape del motor.An optional external sensor of temperature, which can be connected to the exhaust manifold to Measure the temperature of the engine exhaust.
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- Un transmisor de señal de cualquiera de los tipos descritos en las líneas 5 a 7 de la página 4 de esta memoria. El transmisor normalmente está alojado en la carcasa del captador aunque puede ser dispuesto externamente y conectado mediante cable al captador.A signal transmitter any of the types described on lines 5 to 7 of the page 4 of this memory. The transmitter is normally housed in the collector housing although it can be arranged externally and connected by cable to the collector.
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- Un receptor remoto de señal (RX), apropiado al tipo de receptor descrito en el párrafo anterior, que recogerá la señal emitida por el transmisor y la entregará a un analizador electrónico.A remote signal receiver (RX), appropriate to the type of receiver described in the paragraph above, which will pick up the signal emitted by the transmitter and the will deliver to an electronic analyzer.
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- Un analizador electrónico basado en microprocesador, que procesará la señal procedente de los sensores del cilindro del motor y la trasmitirá al panel de instrumentos en cualquiera de las formas descritas en las líneas 25 a 30 (página 3) y líneas 1 a 3 (página 4) de esta memoria.An electronic based analyzer in microprocessor, which will process the signal from the engine cylinder sensors and will transmit it to the panel instruments in any of the ways described in lines 25 to 30 (page 3) and lines 1 to 3 (page 4) of this report.
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- Una computadora (PC) opcional podrá ser utilizada como sistema de tratamiento de datos cuando la información deba ser registrada en una base de datos, o acumulada en registros históricos de incidencias o transmitida a una intranet o por Internet mediante protocolos adecuados (TCP/IP, etc.).An optional computer (PC) may be used as a data processing system when the information must be registered in a database, or accumulated in historical records of incidents or transmitted to an intranet or via the Internet using appropriate protocols (TCP / IP, etc.).
Una característica sustancial del nuevo prototipo objeto de esta invención, que la diferencia de los tradicionales métodos de medición de vibraciones y de ultrasonidos, es el hecho de que los métodos tradicionales citados no ofrecen una señal discriminatoria del estado de compresión del motor de explosión ya que al ser éste una máquina alternativa con elementos en continua rotación produce fuertes niveles de vibraciones y ruido. Las técnicas de captación, tratamiento y análisis de señal aplicadas en el nuevo prototipo objeto de esta invención realizan regularmente un muestreo en tiempo real del ciclo completo del motor. Los resultados de este muestreo son comparados mediante técnicas de correlación con los datos obtenidos del mismo motor en situación de perfecto funcionamiento, dando como resultado la localización fiable de pequeñas pérdidas de compresión tan pronto como éstas aparecen.A substantial feature of the new prototype object of this invention, that the difference of traditional methods of measuring vibrations and ultrasound, it is the fact that the traditional methods cited do not offer a discriminating signal of the compression state of the engine explosion since this being an alternative machine with elements In continuous rotation produces strong levels of vibrations and noise. The techniques of capture, treatment and signal analysis applied in the new prototype object of this invention perform regularly real-time sampling of the complete cycle of the engine. The results of this sampling are compared by correlation techniques with the data obtained from the same engine in perfectly functioning situation, resulting in the reliable location of small compression losses as soon As these appear.
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