ES2613270A1 - Method for the identification of excess or defect of fuel in cylinders of internal combustión engines employed in electrical generation (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

Abstract

Method for the identification of fuel excess or defect in cylinders of internal combustión engines used in electric generation. The object of the present invention is to identify in which cylinder an imbalance is produced caused by the excess or defect of fuel in internal combustión engines, used in electrical generation through the analysis of the different harmonics of the electrical fluctuations. To do this, electrical variables must be measured and also a fixed reference on the axle or on the camshaft for two or four-stroke engines, respectively. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

MÉTODO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE EXCESO O DEFECTO DE COMBUSTIBLE EN CILINDROS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EMPLEADOS EN GENERACIÓN ELÉCTRICA METHOD FOR THE IDENTIFICATION OF EXCESS OR DEFECT OF FUEL IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE CYLINDERS EMPLOYEES IN ELECTRICAL GENERATION

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION

Objeto de la invención Object of the invention

El objeto de la presente invención es la descripción de un método para identificar en qué cilindro se produce un desequilibrio provocado por el exceso o defecto de combustible en motores de combustión interna, empleados en generación eléctrica. The object of the present invention is the description of a method to identify in which cylinder an imbalance is produced caused by the excess or defect of fuel in internal combustion engines, used in electric generation.

El método utilizado se basa en el análisis de variables eléctricas del generador, accionado por el motor. El análisis de las variables eléctricas se realiza mediante la descomposición de dicha señal en armónicos, múltiplos de la frecuencia del ciclo de trabajo del motor. Se entiende por ciclo de trabajo el periodo en el que se produce un encendido en todos los cilindros. En motores de cuatro tiempos el ciclo de trabajo corresponde con dos vueltas, mientras que en motores de dos tiempos corresponde con una vuelta. The method used is based on the analysis of electric variables of the generator, driven by the motor. The analysis of the electrical variables is performed by decomposing said signal into harmonics, multiples of the motor's duty cycle frequency. Work cycle means the period in which an ignition occurs in all cylinders. In four-stroke engines the duty cycle corresponds to two turns, while in two-stroke engines it corresponds to one turn.

Una misma oscilación en las magnitudes eléctricas puede ser provocada por exceso de combustible en un cilindro o bien por defecto de combustible en otro cilindro con un desfase equivalente a la mitad del ciclo de trabajo. Estos desfases son de 180º y 360º mecánicos en motores de dos y cuatro tiempos respectivamente. The same oscillation in the electric quantities can be caused by excess fuel in one cylinder or by default fuel in another cylinder with a lag equivalent to half the work cycle. These lags are 180º and 360º mechanics in two and four stroke engines respectively.

El método objeto de la presente invención permite diferenciar si los desequilibrios son provocados por exceso o por defecto de combustible gracias al análisis de los armónicos múltiplos de los del ciclo de trabajo. The method object of the present invention allows to differentiate if the imbalances are caused by excess or fuel defect thanks to the analysis of harmonics multiples of those of the work cycle.

Antecedentes de la invención Background of the invention

Un procedimiento habitual para realizar el diagnóstico de los motores de combustión interna, que se emplean en la generación de energía eléctrica, es el análisis directo de magnitudes físicas del motor, como pueden ser las presiones o temperaturas de escape en los diferentes cilindros. A common procedure for diagnosing internal combustion engines, which are used in the generation of electrical energy, is the direct analysis of physical quantities of the engine, such as pressures or exhaust temperatures in the different cylinders.

Existen también otros métodos, como el citado en la patente ES2355886 el cual se basa en el análisis de variables eléctricas en el generador en lugar de medir directamente en el motor. There are also other methods, such as the one mentioned in patent ES2355886 which is based on the analysis of electrical variables in the generator instead of directly measuring in the motor.

Este método no permite discernir el exceso o defecto de combustible utilizando únicamente variables eléctricas. Para tomar una conclusión de este tipo, se necesitarían además medidas de variables físicas en el motor, como pueden ser presiones en los cilindros o temperaturas en los escapes, entre otras. This method does not allow to discern the excess or defect of fuel using only electrical variables. To take such a conclusion, measurements of physical variables in the engine, such as cylinder pressures or exhaust temperatures, among others, would be necessary.

La presente invención hace posible la identificación de un desequilibrio por exceso o defecto de combustible, analizando únicamente las variables eléctricas del generador, gracias a la utilización de comparaciones de diferentes armónicos de las oscilaciones eléctricas múltiplos de la frecuencia del ciclo de trabajo. The present invention makes possible the identification of an imbalance due to excess or defect of fuel, analyzing only the electric variables of the generator, thanks to the use of comparisons of different harmonics of the electric oscillations multiples of the frequency of the work cycle.

Descripción de la invención Description of the invention

El par suministrado por un motor de combustión interna (5) no es constante, ya que es el resultado de las combustiones en los diferentes cilindros. The torque supplied by an internal combustion engine (5) is not constant, as it is the result of combustion in the different cylinders.

En caso de un funcionamiento totalmente equilibrado la frecuencia de estas oscilaciones de par sería la misma que la frecuencia de los encendidos. In case of a fully balanced operation the frequency of these torque oscillations would be the same as the frequency of the ignitions.

En un generador (4) accionado por un motor de combustión interna (5), las oscilaciones de par motor se transforman en oscilaciones eléctricas (9), lo que ocurre es que cada una de las frecuencias de las oscilaciones de par se convierten en potencia de forma distinta. In a generator (4) driven by an internal combustion engine (5), the motor torque oscillations are transformed into electrical oscillations (9), what happens is that each of the frequencies of the torque oscillations are converted into power differently

Este método se basa en la medida de las corrientes y las tensiones del generador (4) a través de transformadores de medida (8). A partir de estas medidas se pueden calcular el resto de variables, tales como la potencia activa, potencia reactiva, frecuencia, valores eficaces de la corriente, etc. This method is based on the measurement of the currents and voltages of the generator (4) through measurement transformers (8). From these measurements, the rest of the variables can be calculated, such as active power, reactive power, frequency, effective current values, etc.

También se necesita conocer la posición del eje (1) del grupo motor-generador o al menos tener una referencia fija para poder calcular las fases de las oscilaciones de potencia. Para ello una posible solución es la instalación de una referencia (2) y un sensor de posición (3) que envíe un pulso (6) a un registrador (10) cada vez que el eje pase por dicha posición fija. It is also necessary to know the position of the axis (1) of the motor-generator group or at least have a fixed reference to be able to calculate the phases of the power oscillations. For this, a possible solution is the installation of a reference (2) and a position sensor (3) that sends a pulse (6) to a recorder (10) each time the axis passes through said fixed position.

En el caso de motores de cuatro tiempos, el ciclo de trabajo del motor se corresponde con dos revoluciones completas del eje, por lo que una forma de tener una referencia fija sería instalar los mismos elementos (2) y (3) pero en el árbol de levas. In the case of four-stroke engines, the engine's duty cycle corresponds to two complete revolutions of the shaft, so one way to have a fixed reference would be to install the same elements (2) and (3) but in the shaft of cams.

Una vez registrada la magnitud eléctrica (9) junto con los pulsos (6), se tendrían dos series de datos (12). Una etapa de selección de datos (13) tomaría los datos de la magnitud eléctrica entre dos pulsos (6) teniendo así un número completo de ciclos de trabajo del motor (14). Once the electrical magnitude (9) was registered together with the pulses (6), there would be two series of data (12). A data selection stage (13) would take the electrical magnitude data between two pulses (6) thus having a complete number of motor work cycles (14).

Una vez seleccionados un número de ciclos completos del motor (14), una etapa de cálculo (15) realizaría la descomposición en los diferentes armónicos. Calculando la amplitud y el desfase de los armónicos desde esta posición de referencia fija del eje (o del árbol de levas). Once a number of complete motor cycles (14) have been selected, a calculation stage (15) would perform the decomposition in the different harmonics. Calculating the amplitude and offset of the harmonics from this fixed reference position of the shaft (or camshaft).

Por último una etapa de comparación (16) determinaría qué cilindro es el causante del problema y si es por exceso o defecto de combustible. Finally, a comparison stage (16) would determine which cylinder is the cause of the problem and if it is due to excess or fuel defect.

El esquema de principio del método se muestra en la figura 1. The principle scheme of the method is shown in Figure 1.

Los distintos armónicos en las variables eléctricas tienen distinta fase en función de cuál sea el cilindro que provoca el desequilibrio. The different harmonics in the electrical variables have different phases depending on the cylinder that causes the imbalance.

En las figuras 2 y 3 se muestra el armónico correspondiente al ciclo de trabajo (5 Hz) de un motor en V de cuatro tiempos, 600 rpm y 16 cilindros, donde se ha provocado diferentes desequilibrios en los diferentes cilindros. En la figura 2 se han recogido los registros por defecto de combustible, mientras que en la figura 3 se recogen los registros por exceso de combustible. Figures 2 and 3 show the harmonic corresponding to the duty cycle (5 Hz) of a four-stroke, 600 rpm and 16-cylinder V-motor, where different imbalances in the different cylinders have been caused. In figure 2 the default fuel records have been collected, while in figure 3 the excess fuel records are collected.

En ambas figuras se han nombrado a los diferentes cilindros con una letra A o B correspondientes a los dos lados del motor en V, y un número del 1 al 8. In both figures the different cylinders have been named with a letter A or B corresponding to the two sides of the V-motor, and a number from 1 to 8.

Se puede observar que las diferentes oscilaciones representadas se distribuyen a lo largo del gráfico, donde un ciclo de trabajo se ha representado en 360º. El orden de estas oscilaciones sigue el orden de encendido. It can be seen that the different oscillations represented are distributed along the graph, where a duty cycle has been represented in 360º. The order of these oscillations follows the order of ignition.

También se puede observar que las oscilaciones provocadas por un cilindro están en contrafase si se trata de exceso o defecto, al comparar las figuras 2 y 3. It can also be seen that the oscillations caused by a cylinder are in contraphase if it is an excess or defect, when comparing figures 2 and 3.

Y por último se puede ver que dos cilindros que estén desfasados la mitad del ciclo de trabajo pueden producir la misma oscilación si se produce un exceso y un defecto de combustible o viceversa. Por ejemplo en la figura 4 se muestra la oscilación de 5 Hz correspondiente con el ciclo de trabajo de los cilindros A7 y A2 por exceso y defecto de combustible respectivamente. Se puede observar que la oscilación es la misma. And finally it can be seen that two cylinders that are out of phase half of the work cycle can produce the same oscillation if there is an excess and a fuel defect or vice versa. For example, the oscillation of 5 Hz corresponding to the duty cycle of cylinders A7 and A2 due to excess and fuel defect respectively is shown in Figure 4. It can be seen that the oscillation is the same.

En la figura 5 se muestra la descomposición del módulo en armónicos de un motor de similares características en condiciones de operación normal y con un desequilibrio forzado en uno de los cilindros. Se observa que además del armónico de 5 Hz correspondiente con el ciclo de trabajo aparecen múltiplos de este en 10, 15, 20 Hz, entre otros. Figure 5 shows the decomposition of the harmonic module of a motor with similar characteristics under normal operating conditions and with a forced imbalance in one of the cylinders. It is observed that in addition to the 5 Hz harmonic corresponding to the duty cycle, multiples of this appear in 10, 15, 20 Hz, among others.

En las figuras 6 y 7 se representan los armónicos de 10 Hz, correspondientes a una frecuencia doble a la del ciclo de trabajo para desequilibrios en todos los cilindros por defecto y exceso respectivamente. Estos registros son los mismos que los mostrados en las figuras 2 y 3 pero la frecuencia en estas figuras es de 5 Hz. Figures 6 and 7 show the harmonics of 10 Hz, corresponding to a frequency double that of the duty cycle for imbalances in all cylinders by default and excess respectively. These registers are the same as those shown in figures 2 and 3 but the frequency in these figures is 5 Hz.

Siguiendo con el ejemplo de la figura 4, en la figura 8 se muestran los armónicos de 10 Hz de los cilindros A7 y A2 por exceso y defecto de combustible respectivamente. Se puede observar que la oscilación está a 180º. Following the example of Figure 4, Figure 8 shows the 10 Hz harmonics of the A7 and A2 cylinders for excess and fuel defect respectively. It can be seen that the oscillation is 180º.

Del análisis de las figuras 4 y 8, se puede ver claramente que aunque los armónicos de orden 1 (5 Hz) sean iguales, los armónicos de segundo orden (10 Hz) están desfasados 180º. Este hecho hace posible distinguir entre un exceso o un defecto de combustible, entre los diferentes cilindros. From the analysis of Figures 4 and 8, it can be clearly seen that although the harmonics of order 1 (5 Hz) are the same, the second order harmonics (10 Hz) are 180 ° out of phase. This fact makes it possible to distinguish between an excess or a fuel defect, between the different cylinders.

Para poder realizar el diagnóstico de un motor habría que realizar unos ensayos para conocer los diferentes desfases de los cilindros y de sus armónicos con respecto al sensor de posición del eje instalado. Por lo tanto tras una medida en el motor comparando con los ensayos previos se puede identificar que cilindro es el que origina el desequilibrio y si es por exceso o defecto de combustible. To be able to diagnose an engine, tests should be carried out to know the different phase shifts of the cylinders and their harmonics with respect to the position sensor of the installed shaft. Therefore, after a measurement in the engine compared to the previous tests, it is possible to identify which cylinder is the one that causes the imbalance and if it is due to excess or defect of fuel.

Realización preferente de la invención Preferred Embodiment of the Invention

A continuación se muestran dos posibles realizaciones preferentes para motores de dos y cuatro tiempos. Motores de dos tiempos Two possible preferred embodiments for two- and four-stroke engines are shown below. Two-stroke engines

El método de diagnóstico basado en el análisis de los múltiplos de armónicos del orden de ignición consta de una primera etapa de registro, en la que un equipo de medida (7), registra las variables (8) deseadas del generador (4). Otra variable registrada, serán los pulsos producidos por el sistema auxiliar de identificación de ciclos de potencia del motor (6),que en esta realización preferente es obtenida de un sensor de posición (3) que genera dicha señal (6) cuando una referencia (2) situada en el eje pasa por una determinada posición. De esta forma se obtiene un pulso por cada ciclo de trabajo del motor, correspondiente en este caso con una revolución en el eje del grupo motor generador. The diagnostic method based on the analysis of harmonic multiples of the ignition order consists of a first recording stage, in which a measuring device (7) records the desired variables (8) of the generator (4). Another recorded variable will be the pulses produced by the auxiliary system for identifying motor power cycles (6), which in this preferred embodiment is obtained from a position sensor (3) that generates said signal (6) when a reference ( 2) located on the shaft passes through a certain position. In this way, a pulse is obtained for each motor work cycle, corresponding in this case with a revolution in the axis of the generator motor group.

Mediante el análisis del módulo de las variables registradas, se verificará si el motor esta fuera del rango de desequilibrio admitido, siempre que el módulo de las oscilaciones sea superior a un cierto valor. By analyzing the module of the recorded variables, it will be verified if the motor is outside the range of admitted imbalance, provided that the oscillation module exceeds a certain value.

Mediante el análisis de las fases de los distintos armónicos se puede identificar qué cilindro es el causante del desequilibrio y si es por exceso o por defecto de combustible. By analyzing the phases of the different harmonics you can identify which cylinder is the cause of the imbalance and if it is due to excess or fuel defect.

Este análisis proporciona además el cilindro o cilindros que están produciendo una mayor aportación al desequilibrio, identificando además si la naturaleza del desequilibrio viene producida por un exceso o defecto de combustible en los cilindros en cuestión. This analysis also provides the cylinder or cylinders that are producing a greater contribution to the imbalance, also identifying if the nature of the imbalance is caused by an excess or defect of fuel in the cylinders in question.

Motores de cuatro tiempos Four-stroke engines

En esta realización preferente es obtenida de un sensor de posición (3) que genera dicha señal (6) cuando una referencia (2) situada en el árbol de levas pasa por una determinada posición. De esta forma se obtiene un pulso por cada ciclo de trabajo del motor, correspondiente en este caso con dos revoluciones en el eje del grupo motor generador. In this preferred embodiment, it is obtained from a position sensor (3) that generates said signal (6) when a reference (2) located in the camshaft passes through a certain position. In this way, a pulse is obtained for each motor work cycle, corresponding in this case with two revolutions in the axis of the generator motor group.

Breve descripcion de las figuras Brief description of the figures

La Figura 1 muestra el diagrama de bloques del método de diagnóstico de motores de combustión interna basado en el análisis de los diferentes armónicos de las oscilaciones eléctricas, donde se representa el sistema de referencia de la posición del el eje (1) del generador, la referencia (2) fija sobre el eje, un detector de proximidad (3), la señal del detector de proximidad (6), el generador (4), el motor de combustión (5), los transformadores de medida (8) de corriente y tensión, el equipo de medidas eléctricas (7), el registrador (10) y la etapa de selección de datos (13). Se representa a modo de ejemplo una de las salidas (9) del equipo de medida, correspondiente con una variable eléctrica que se registra. Se representa a modo de ejemplo también, un registro (12) de la variable eléctrica junto con la señal del indicador de proximidad (6). En este registro se seleccionan datos de ciclos completos (14) mediante el equipo (13). Y finalmente la etapa de cálculo (15) hace la descomposición en distintos armónicos y la etapa (16) hace la identificación del cilindro y si es por exceso o defecto de combustible. Figure 1 shows the block diagram of the internal combustion engine diagnostic method based on the analysis of the different harmonics of the electric oscillations, where the reference system of the position of the generator shaft (1) is represented, the reference (2) fixed on the shaft, a proximity detector (3), the proximity detector signal (6), the generator (4), the combustion engine (5), the current measurement transformers (8) and voltage, the electrical measurement equipment (7), the recorder (10) and the data selection stage (13). One of the outputs (9) of the measuring equipment, corresponding to an electrical variable that is recorded, is represented by way of example. An example is also shown, a register (12) of the electric variable together with the signal of the proximity indicator (6). In this register, complete cycle data (14) is selected using the device (13). And finally the calculation stage (15) makes the decomposition in different harmonics and the stage (16) makes the identification of the cylinder and if it is due to excess or defect of fuel.

La figura 2 muestra los vectores (módulo y argumento) de diferentes desequilibrios por defecto de combustible en los 16 cilindros de un motor. Los vectores que se muestran son los correspondientes al armónico correspondiente a un ciclo de trabajo 5 Hz. Figure 2 shows the vectors (module and argument) of different imbalances by default of fuel in the 16 cylinders of an engine. The vectors shown are those corresponding to the harmonic corresponding to a 5 Hz duty cycle.

La figura 3 muestra los vectores (módulo y argumento) de diferentes desequilibrios por 5 exceso de combustible en los 16 cilindros de un motor. Los vectores que se muestran son los correspondientes al armónico correspondiente a un ciclo de trabajo 5 Hz. Figure 3 shows the vectors (module and argument) of different imbalances due to excess fuel in the 16 cylinders of an engine. The vectors shown are those corresponding to the harmonic corresponding to a 5 Hz duty cycle.

La figura 4 muestra los desequilibrios de 5 Hz de dos cilindros (A7 y A2) desfasados medio ciclo de trabajo, con un desequilibrio por exceso y por defecto. Figure 4 shows the imbalances of 5 Hz of two cylinders (A7 and A2) out of phase half work cycle, with an imbalance by excess and by default.

La figura 5 muestra el módulo de los diferentes armónicos de un motor de 16 cilindros 10 de cuatro tiempos y 600 rpm. Figure 5 shows the module of the different harmonics of a 16-cylinder, 10-stroke, 600-rpm engine.

La figura 6 muestra los vectores (módulo y argumento) de diferentes desequilibrios por defecto de combustible en los 16 cilindros de un motor. Los vectores que se muestran son los correspondientes al armónico de 10 Hz correspondiente a medio ciclo de trabajo. Figure 6 shows the vectors (module and argument) of different imbalances by default of fuel in the 16 cylinders of an engine. The vectors shown are those corresponding to the 10 Hz harmonic corresponding to half a duty cycle.

15 La figura 7 muestra los vectores (módulo y argumento) de diferentes desequilibrios por exceso de combustible en los 16 cilindros de un motor. Los vectores que se muestran son los correspondientes al armónico de 10 Hz correspondiente a medio ciclo de trabajo. 15 Figure 7 shows the vectors (module and argument) of different imbalances due to excess fuel in the 16 cylinders of an engine. The vectors shown are those corresponding to the 10 Hz harmonic corresponding to half a duty cycle.

La figura 8 muestra los desequilibrios de 10 Hz de dos cilindros (A7 y A2) desfasados 20 medio ciclo de trabajo, con un desequilibrio por exceso y por defecto. Figure 8 shows the 10 Hz imbalances of two cylinders (A7 and A2) out of phase 20 half cycle, with an excess and default imbalance.

Claims (1)

REIVINDICACIONES 1. Un método de diagnóstico que identifica el exceso o defecto de combustible en cilindros que producen un funcionamiento desequilibrado en un motor de combustión (5) acoplado a un generador síncrono (4) caracterizado porque 1. A diagnostic method that identifies the excess or defect of fuel in cylinders that produce an unbalanced operation in a combustion engine (5) coupled to a synchronous generator (4) characterized in that 5 comprende las siguientes etapas:etapa de adquisición (7) de al menos una de las siguientes magnitudes eléctricas potencia activa, potencia reactiva, tensión, intensidad y frecuencia; 5 comprises the following steps: acquisition stage (7) of at least one of the following electrical quantities active power, reactive power, voltage, intensity and frequency; etapa de adquisición de una referencia de la posición del eje (6) o árbol de levas durante el ciclo de trabajo del motor; step of acquiring a reference of the position of the shaft (6) or camshaft during the engine duty cycle; 10 etapa de registro (10) de la magnitud eléctrica seleccionada con la referencia de la posición del eje o árbol de levas; 10 recording stage (10) of the selected electrical quantity with the reference of the position of the camshaft or shaft; etapa de selección de los datos (13) de la magnitud eléctrica seleccionada entre dos referencias de la posición del eje o árbol de levas durante un número de ciclos entero; step of selecting the data (13) of the electrical magnitude selected between two references of the position of the camshaft or shaft for a whole number of cycles; 15 etapa de cálculo de los armónicos (15) de la magnitud eléctrica seleccionada; 15 stage of calculation of harmonics (15) of the selected electrical quantity; etapa de comparación (16) que determina el exceso o defecto de combustible en los cilindros gracias a la comparación con ensayos previos. comparison stage (16) that determines the excess or defect of fuel in the cylinders thanks to the comparison with previous tests. 1 one Figura 1 Figure 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figure 2 Figure 3 Figure 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figure 5 Figure 6 Figure 7 Figure 8 14 14