用于诊断发动机的系统和方法

用于诊断发动机的系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种用于诊断发动机（110）的方法和系统。可以根据来自操作地连接到发动机（110）的发电机（120）的信号（170）所提供的信息和/或与发动机（110）相关的其它信息（160,162）来诊断发动机（110）的状况。根据在信息中的识别特征可以区分不同类型的退化。因此，能够以减少由维修导致的延迟的方式来识别退化的发动机（110）部件。
【专利说明】用于诊断发动机的系统和方法
[0001]本申请要求2011年9月15日提交的系列号为61/535,049的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请据此全文引入以供参考。
【技术领域】
[0002]本发明公开的主题的实施例涉及用于诊断发动机的系统和方法。
【背景技术】
[0003]发动机多个部件在操作期间可能以多种方式退化。例如，发动机中的发动机气缸可能由于火花塞磨损而开始哑火(mis-firing)。检测发动机退化的一种方法是监测发动机速度。诊断程序可以监测发动机速度的各分量是否上升到阈值水平之上，并且生成要求维修、降低额定发动机功率或关闭发动机的诊断代码或其它指示。然而，发明人在这里已经认识到，对发动机速度的分析通常不足以彻底地诊断发动机的问题。

【发明内容】

[0004]在一个实施例中，提供一种用于发动机的方法，该发动机操作地连接到发电机。该方法包括:在操作期间测量与发电机相关联的至少一个参数；根据测量的参数确定与发电机相关联的转矩曲线(torque profile);以及根据确定的转矩曲线的频谱(frequencycontent)诊断发动机的状况。
[0005]在一个实施例中，提供一种用于发动机的方法，该发动机操作地连接到发电机。该方法包括:在操作期间测量与发电机相关联的至少一个参数；根据测量的参数确定与发电机相关联的转矩曲线；以及根据确定的转矩曲线的频谱区分发动机的不同类型的退化。
[0006]在一个实施例中，提供一种车辆系统。该车辆系统包括:发动机；发电机，其可操作地连接到发动机；至少一个传感器，其用于在操作期间测量与发电机相关联的至少一个参数；以及控制器。该控制器包括指令，这些指令被构造成用以:采样测量的参数且将测量的参数转化为转矩曲线；识别转矩曲线的频谱；以及根据识别的转矩曲线的频谱诊断发动机的状况。
[0007]在一个实施例中，提供一种测试套件。该测试套件包括控制器，该控制器可操作成用以根据转矩曲线的频谱确定发动机的状况，该转矩曲线来源于可操作地连接到发动机的发电机的参数测量值。
[0008]在一个实施例中，提供一种用于发动机的方法，该发动机可操作地连接到发电机。该方法包括:在操作期间测量与发电机相关联的电气参数；以及根据测量的电气参数的频谱诊断发动机的状况。
[0009]在一个实施例中，提供一种车辆系统。该车辆系统包括:发动机；发电机，其可操作地连接到发动机；传感器，其用于在操作期间测量与发电机相关联的电气参数；以及控制器。该控制器包括指令，这些指令被构造成用以:采样测量的电气参数；识别测量的电气参数的频谱；以及根据测量的电气参数的频谱诊断发动机的状况。[0010]在一个实施例中，提供一种测试套件。该测试套件包括控制器，该控制器可操作成用以根据与发电机相关联的电气参数曲线的频谱确定发动机的状况，该发电机可操作地连接到发动机。
[0011]在一个实施例中，提供一种用于发动机的方法，该发动机操作地连接到发电机。该方法包括:在操作期间随时间推移测量与发电机相关联的电气参数；确定测量的电气参数的频谱；以及从频谱的至少一部分重新构造直流(dc)调制曲线，其中该直流调制曲线与发电机的电磁转矩成比例。
[0012]在一个实施例中，提供一种用于发动机的方法，该发动机操作地连接到发电机。该方法包括:测量与发动机相关联的至少一个参数；测量与发电机相关联的至少一个参数；以及根据测量的参数诊断发动机的状况。
[0013]该简要描述是为了以简化的形式引入概念的选择，这些概念将在本发明中进一步描述。该简要描述并不是用来确定要求保护的主题的关键特征或实质特征，也不是用来限制要求保护的主题的范围。此外，要求保护的主题并不受限于用以解决本公开的任何部分中提到的任何或所有缺陷的具体实施。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]参考附图，通过阅读以下非限制性实施例的说明将会理解本发明，其中:
[0015]图1为车辆系统(例如机车系统)的示例性实施例的示意图,该车辆系统具有发动机和发电机(交流发电机)，在本发明中示出为轨道车辆，该轨道车辆被构造成经由多个车轮在轨道上行驶；
[0016]图2为图1的发动机和发电机的示意性实施例的示意图，其可操作地连接到多种辅助设备140和牵引马达；
[0017]图3为如何从时间采样的发电机参数生成频谱的示例性实施例的示意图；
[0018]图4为示出了“正常”和“非正常”频谱的示例性实施例的示意图；
[0019]图5为控制器中的诊断逻辑如何检测发电机参数的频谱中的非正常状况的示例性实施例的示意图；
[0020]图6为如何从采样的发电机参数生成转矩曲线的示例性实施例的示意图；
[0021]图7为如何从时域转矩曲线生成频谱的示例性实施例的示意图；以及
[0022]图8为如何从发电机的测量的电气参数的频谱重新构建直流调制特征图的示例性实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0023]本发明公开的主题的实施例涉及用于诊断发动机的系统和方法。本发明还提供用于执行所述方法的测试套件(Test kits)。发动机可以包含在车辆中，例如包含在机车(locomotive)系统中。其它合适类型的车辆可以包括公路车辆、越野车辆、采矿设备、飞行器和船舶。本发明的其它实施例可以用于固定式发动机(stationary engines),例如风力涡轮机或发电机。发动机可以是柴油发动机，或者可以燃烧另外的燃料或者这些燃料的组合。这样的可选的燃料可以包括汽油、煤油、生物柴油、天然气和乙醇，以及上述燃料的组合。合适的发动机可以使用压缩点火和/或火花点火。这些车辆可以包括发动机，该发动机的各部件随着使用而退化。
[0024]此外，本发明所公开的主题的实施例利用发电机数据，例如测量的发电机电气参数或者来源于测量的发电机电气参数和/或发动机参数(例如速度)的发电机数据(例如得到的转矩曲线)，以诊断发动机或辅助设备的状况(condition)，并且在状况与相关的发动机各部件和辅助设备之间进行区分。
[0025]当寻找到特定类型的发动机退化时，发动机可以被置于特定操作条件或模式。例如，在作为测试工序一部分的自加载状况、动态制动(dynamic brake ;db)调试状况或稳态驾驶状况期间可以诊断发动机。本发明讨论的诊断和预测方法可以用于预测趋向、比较缸与缸的变化、进行测试工序、修复确认和帮助修复。或者，在正常操作期间，当发动机达到特定操作状况或状态时，可以采样和分析发电机和/或发动机数据。
[0026]图1为车辆系统100 (例如机车系统)的示例性实施例的示意图，该车辆系统在本发明中示出为轨道车辆106，该轨道车辆被构造成经由多个车轮108在轨道102上行驶。如图所示，轨道车辆106包括发动机110，该发动机110可操作地连接到发电机(交流发电机)120。车辆106还包括牵引马达130，该牵引马达130可操作地连接到发电机120，以用于驱动车轮108。车辆106还包括多种辅助系统或设备140，它们可操作地连接到发电机120或发动机110 (例如可转动的发动机轴111，参见图2)，以用于执行各种功能。
[0027]车辆106还包括控制器150，以控制与车辆系统100相关的各种部件。在一个例子中，控制器150包括计算机控制系统。在一个实施例中，计算机控制系统主要是基于软件的，并且包括构造成用以执行计算机可操作指令的处理器，例如处理器152。控制器150可以包括多个发动机控制单元(E⑶)，控制系统可以分布在各个E⑶之间。控制器150还包括计算机可读存储介质，例如存储器154，其包括指令(例如，计算机可执行指令)，以便能够进行车载监测和对轨道车辆运行进行控制。存储器154可以包括易失性和非易失性存储器。根据另一个实施例，控制器可以是基于硬件的，例如使用数字信号处理器(DSP)或其它硬件逻辑电路，以执行本发明所述的各种功能。
[0028]控制器可以监督车辆系统100的控制和管理。控制器可以接收来自发动机的速度传感器160的信号或者来自各种发电机传感器170的信号，以确定操作参数和操作状况，并且相应地调节各种发动机致动器162，以控制轨道车辆106的操作。根据一个实施例，速度传感器160包括多齿拾取轮(mult1-tooth pick-up wheel)和磁阻传感器,该多齿拾取轮连接到发动机轴111，磁阻传感器用于感测拾取轮的齿何时经过磁阻传感器。例如，控制器可以接收来自各种发电机传感器的代表各种发电机参数的信号。发电机参数可以包括直流链电压、直流链电流、发电机励磁电压(field voItage )、发电机励磁励磁电流(f ieIdcurrent)、发电机输出电压和发电机输出电流。根据各种实施例，其它发电机参数同样也是可能的。因此，通过将命令发送到各个部件，例如牵引马达、交流发电机、气缸阀、节气阀等，控制器可以控制车辆系统。来自发电机传感器170的信号可以一起捆束到一个或多个线束中，以减小车辆系统100中专用于布线的空间，并且保护信号线免于磨损和振动。
[0029]控制器可以包括用于记录发动机的操作特性的车载电子诊断程序。操作特性可以包括例如来自传感器160和170的测量值。在一个实施例中，操作特性可以存储在存储器154的数据库中。在一个实施例中，当前的操作特性可以与过去的操作特性进行比较，以确定发动机性能的趋向。[0030]控制器可以包括用于识别和记录车辆系统100的各部件的可能退化和故障的车载电子诊断程序。例如，当识别出可能退化的部件之后，诊断代码可以存储在存储器154中。在一个实施例中，独特的诊断代码可以对应于可以通过控制器识别的各种类型的退化。例如，第一诊断代码可以表明发动机的气缸I的问题，第二诊断代码可以表明发动机的气缸2的问题，第三诊断代码可以表明辅助系统之一的问题，等等。
[0031]控制器可以进一步连接到显示器180，例如诊断界面显示器，从而提供对于机车操作人员和维护人员的用户界面。通过发送命令以对应地调节各种发动机致动器162，响应于经由用户输入控制182的操作者输入，控制器可以控制发动机。用户输入控件182的非限制性例子可以包括节流阀控件、制动控件、键盘和电源开关。另外，发动机和辅助设备的操作特性，例如与退化的部件相对应的诊断代码，可以经由显示器180被报告给操作者和/或维护人员。
[0032]车辆系统可以包括连接到控制器的通信系统190。在一个实施例中，通信系统190可以包括用于发射和接收声音和数据消息的无线电和天线。例如，数据通信可以处于车辆系统和铁路控制中心、另一个机车、卫星和/或路旁装置(例如道岔)之间。例如，控制器可以利用来自GPS接收器的信号估计车辆系统的地理坐标。作为另一个例子，控制器可以经由从通信系统190传递的消息而将发动机和/或辅助设备的操作特性传递到控制中心。在一个实施例中，当检测到发动机或辅助设备的退化部件且车辆系统可以按计划进行维护时，消息可以通过通信系统190传递到命令中心。
[0033]图2为图1的发动机110和发电机120的示意性实施例的示意图，其可操作地连接到多种辅助设备140 (141、142、143、144)和牵引马达130。各种机械辅助设备144能够可操作地联接到转动发动机轴111，并且由转动发动机轴驱动。其它辅助设备140通过整流器210由发电机120驱动，该整流器产生直流链电压，以向调节器230供电。这样的辅助设备的例子包括鼓风机141、压缩机142和散热器风扇143。牵引马达130通过整流器210由发电机120驱动，该整流器产生直流链电压，以向逆变器220供电。这样的辅助设备140、牵引马达130和它们的具体实施是本领域中众所周知的。根据某些实施例，发电机120实际上可以是一个或多个发电机，例如，主发电机用以驱动牵引马达130，而辅助发电机用以驱动一部分辅助设备140。辅助设备的其它例子包括涡轮增压器、泵和发动机冷却系统。
[0034]速度传感器160在操作期间测量发动机的转动轴111的速度。根据多个实施例，直流链传感器171是发电机传感器，并且可以测量直流链电压、直流链电流或这两者。根据多个实施例，场传感器172是发电机传感器,并且可以测量发电机的励磁电流、发电机的励磁电压或这两者。根据某些实施例，发电机传感器173和174分别设置成用以测量发电机的电枢输出电压和电流。可以根据应用的特定参数选择合适的可商购获得的传感器。
[0035]根据一个实施例，发电机参数的频谱用来诊断发动机的状况。图3为如何从时间采样的发电机参数生成频谱的实施例的示意图。发电机参数(例如直流链电压)利用直流链传感器171进行测量，并且被发送到控制器150。也可以替代地使用其它发电机参数，包括直流链电流、发电机励磁励磁电压、发电机励磁励磁电流、发电机输出电压和发电机输出电流。控制器150随时间采样发电机参数，并且对发电机参数数据进行频率分析处理。根据一个实施例，频率分析处理是傅立叶变换处理(Fourier transform process) 310 (例如快速傅立叶变换、FFT处理)。根据另一个实施例，频率分析处理是带通滤波处理320。频率分析处理将采样的时域发电机参数变换为频域中的频谱。频谱的各种频率分量可以包括基波(第一阶)和谐波(第二阶、半阶、第三阶等)频率分量。根据一个实施例，傅立叶变换处理和带通过滤处理包括由处理器152执行的计算机可执行指令。可以对处理的/所得到的信号进行频率变换，例如，为电流和电压产物的千伏安(kVA)或千瓦(kW)，或者是信号的kW/频率的转矩。
[0036]例如，发动机可以具有以预定顺序点火的多个气缸，其中每个气缸在四冲程或两冲程循环期间点火一次。例如，四缸四冲程发动机可以具有1-3-4-2的点火顺序，其中对于发动机每两次旋转，每个气缸点火一次。因此，指定气缸的点火频率是发动机的旋转频率的一半，并且任何气缸的点火频率是发动机的旋转频率的两倍。发动机的旋转频率可以描述为发动机第一阶(first engine order)。这样的第一阶频率分量可以呈现于测量的发电机参数的频谱。四冲程发动机的指定气缸的点火频率可以描述为发动机半阶，其中该发动机半阶是发动机的旋转频率的一半。这样的半阶频率分量也可以呈现于测量的发电机参数的频谱。
[0037]作为四冲程发动机的另一个例子，十二缸发动机可以具有
1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10的点火顺序，其中对于发动机每两次旋转，每个气缸点火一次。因此，指定气缸的点火频率是发动机的旋转频率的一半，并且任何气缸的点火频率是发动机的旋转频率的六倍。作为两冲程发动机的另一个例子，十二缸发动机可以具有
1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10的点火顺序，其中对于发动机每次旋转，每个气缸点火一次。因此，指定气缸的点火频率是发动机的旋转频率，并且任何气缸的点火频率是发动机的旋转频率的十二倍。再次，这些频率分量可以呈现于测量的发电机参数的频谱。
[0038]例如，发动机可以是以1050RPM运转的四冲程发动机。因此，发动机第一阶处于17.5Hz，而发动机半阶处于8.75Hz。在操作期间，当发动机轴111转动时，直流链电压可以以周期频率变化。例如，直流链电压的频谱可以包括在发动机第一阶的频率下的频率分量。换句话讲，频谱的峰值可以出现在第一阶频率分量处。直流链电压还可以包括处于第一阶频率的其它谐波下的频谱，例如处于第二阶频率(发动机频率的两倍)、第三阶频率(发动机频率的三倍)等。相似地，直流链电压可以包括处于比第一阶频率小的频率下的频谱，例如处于半阶频率(发动机频率的一半)。
[0039]对于“正常的(healthy)”且正确地(properly)操作的发动机，测量的发电机参数的频谱可以具有特定的正常信号特征。与这种正常信号特征的偏离可以指示出发动机的问题。例如，根据一个实施例，通过分析频谱的半阶幅值和/或相位，可以诊断发动机的状况。
[0040]图4为示出了 “正常”和“非正常(unhealthy)”频谱的示例性实施例的示意图。根据一个实施例，正常发动机(即正确地操作的发动机)的频谱410具有三个绝对和相对幅值的频率分量，如图4所述。非正常发动机(即由于某些退化或故障而不正确地操作的发动机)的频谱420具有三个处于相同位置的频率分量，就像正常发动机的频谱410。然而，根据一个实施例，一个频率分量421 (例如半阶分量)的振幅失真(例如振幅增大)，另一个频率分量423 (例如第二阶分量)的振幅也失真(例如振幅减小)。在一个实施例中，失真的半阶分量421表明非正常发动机，并且通过将半阶分量的振幅与阈值比较而进行识别。
[0041]根据另一个实施例，频谱420中两个失真的频率分量421和423表明非正常发动机。此外，失真的频率分量(例如振幅)相对于非正常发动机的频谱420中其它频率分量的具体特性可以表面具体类型的发动机退化或故障(例如发动机的第3号气缸不能够操作)。另外，半阶分量相对于基准气缸(例如第I号气缸)的相位可以用来将问题隔离到具体气缸。
[0042]例如，退化的部件可能使得发动机以较低的效率、较低的动力和/或更大的污染进行运转。另外，退化的部件的状况可能加速部件的退化，这可能增加隐患发动机故障和道路故障的可能性。退化的发动机气缸是退化的发动机部件的一个例子。因此，对于四冲程发动机，失真的频率分量可能出现在半阶频率处。对于两冲程发动机，失真的频率分量可能出现在第一阶频率处。于是，诊断可以包括退化的警告以及退化的发动机部件的类型和/或位置的指示。
[0043]图5为控制器150中的诊断逻辑(diagnostic logic)510如何检测发电机参数的频谱中的非正常状况的实施例的示意图。例如，半阶分量421可以通过诊断逻辑510与阈值水平T进行比较。如果分量421的幅值超过阈值水平T，那么诊断逻辑510确定在发动机中已经出现退化。此外，如果诊断逻辑510确定半阶分量421与第一阶分量422的比超过第二阈值水平，并且第一阶分量422与第二阶分量423的比超过第三阈值水平，那么诊断逻辑510将退化隔离到具体发动机部件(例如第3号气缸)。根据一个实施例，诊断逻辑包括由处理器152执行的计算机可执行指令。根据一个实施例，半阶分量与直流或零阶分量的比可以表明发动机的问题。此外，阈值水平T可以取决于发动机的运转状况，例如功率、速度、环境条件、维修历史等。
[0044]可以被诊断、区分和隔离的发动机退化或故障的类型可以包括例如磨损的火花塞、燃料不平衡、故障的气缸、发动机爆缸(knocking in the engine)、低的燃料输入、低的压缩和气门机构故障。一旦诊断了退化或故障，就可以采取动作。这样的动作可以包括例如向操作者提供警告信号(例如经由显示器180)、调节发动机操作参数(例如降低额定发动机功率、关闭至少一个发动机气缸、关闭整个发动机、平衡发动机气缸)、记录维护动作、以及将诊断状况传递到中心位置(例如经由通信系统190)。
[0045]根据一个实施例，与发电机相关的转矩曲线的频谱用来诊断发动机的状况。图6为如何从采样的发电机参数生成转矩曲线(torque profile)的示例性实施例的示意图。控制器150包括二极管整流器210的向后模型(backward model) 610和发电机120的模型620。通过直流链传感器171测量的直流链电压被输入到向后模型610中，以生成发电机的电枢(或定子)电压(即发电机输出电压)的估计。相似地，通过场传感器172测量的发电机励磁电流被输入到发电机模型620中，以生成发电机的电枢(或定子)电流(即发电机输出电流)的估计。控制器150还包括转矩估计模型630。估计的发电机输出电压和电流与发动机的速度指示一起被输入到转矩估计模型，并且生成发电机的转矩曲线(例如电磁转矩曲线)。发动机的速度指示用来告诉转矩估计模型630所关注的谐波频率位于何处。来自速度传感器160的发动机速度可以用作输入，或者整流器210之外的频谱(例如第六谐波)(例如直流链电压信号的频谱)可以用作发动机速度的指示。
[0046]因此，与发电机相关的转矩曲线可以来源于直流链电压和发电机励磁电流。或者，直流链电流和发电机励磁电压可以用于对应的模型，以从直流链电流估计发电机输出电流和从发电机励磁电压估计发电机输出电压。如果发电机输出电压和电流已经能够被获取到控制器150 (由于这样的传感器处于发电机上),那么可以忽略向后模型610和发电机模型620。此外，如果能够接受转矩曲线的不太精确的估计，那么参数(直流链电压、直流链电流、发电机励磁电流、发电机励磁电压、输出发电机电流、输出发电机电压)中的仅仅一个而不是两个可以用来估计转矩曲线。
[0047]可以根据转矩曲线的频谱诊断发动机的状况。图7为如何从时域转矩曲线生成频谱的示例性实施例的示意图。再次，控制器150的傅立叶变换处理310或带通滤波处理320可以用来生成频谱。相似地，如上所述，可以利用控制器150的诊断逻辑来分析频谱，以确定发动机的退化。频率分量(例如半阶、第一阶等)的各个方面(例如振幅和相位)和/或其比可以与阈值进行比较，以确定发动机部件的退化。
[0048]根据一个实施例，可以由测量的发电机数据(例如直流链电压数据)的频谱的至少一部分重新构建直流调制特征图。如图8所示，控制器150的逆傅立叶变换处理810(例如IFFT处理)用来由频谱重新构造直流调制特征图。直流调制特征图与发电机的电磁转矩成比例。可以分析重新构造的直流调制特征图，以诊断发动机的状况。
[0049]通常，根据多个实施例，可以根据来自发动机(例如速度或压力)和发电机(例如直流链电压等)的测量的参数的组合，诊断发动机的状况。各个参数的频谱可以被确定和比较，以诊断具体的发动机状况。此外，其它参数特征图(例如转矩)可以由测量的参数特征图估计，接下来，可以分析这些特征图的频谱，以诊断具体的发动机状况。
[0050]现在提供本发明所述的系统和方法的应用的其它例子。这些例子示出了用于根据与发电机相关的发电机数据(例如较原始的发电机参数，例如直流链电压，或其它获得的发电机参数，例如电磁转矩)的频谱或发动机操作期间发动机的速度而在不同类型的发动机退化之间进行诊断和区分的各种方法。在进行微小调整的情况下，许多例子可以等同地应用于各种辅助设备。
[0051]在一个实施例中，根据频谱信号特征，可以检测到四冲程发动机的退化的气缸，该信号特征为例如半阶频率分量的幅值大于半阶阈值。在可选实施例中，频谱的幅值可以对频率范围进行积分，并且根据该积分大于积分阈值，可以检测到四冲程发动机的退化的气缸。
[0052]检测到一个退化的气缸(其中发动机的其它气缸较为正常(或较小地退化))，可以具有比发动机多个气缸退化时更清楚的频谱信号特征。例如，可以通过将半阶频率分量的幅值与半阶幅值阈值进行比较，来识别一个退化的气缸的频谱信号特征。然而，多个退化的气缸可能具有与单个退化的气缸不同的频率分量信号特征。另外，多个退化的气缸的点火顺序中的位置可以改变频谱信号特征。例如，相位相差180°的两个退化的气缸可以具有与相继点火顺序的两个退化气缸不同的频率分量信号特征，从而本发明所述的方法可以根据频谱信号特征的各种变化识别一个或多个退化的气缸。另外，可能有利的是，通过记录各种频率和操作状况下的频谱，生成正常发动机的频谱信号特征。在一个实施例中，发动机的频谱可以与正常发动机的频谱信号特征进行比较。例如，与正常发动机或不同的退化的发动机部件的频谱信号特征不匹配的异常情况可以由控制器识别和记录。退化的发动机部件的其它例子包括退化的曲柄箱排出系统、退化的涡轮增压器和退化的曲柄箱。
[0053]在一个实施例中，时域发电机数据可以由低通滤波器过滤进行滤波，该低通滤波器的截止频率稍大于第一阶频率。例如，截止频率可以比第一阶频率大百分之十到二十。因此，在一个实施例中，截止频率可以通过发动机速度确定。发电机数据可以在大于或等于奈奎斯特速率(Nyquist rate)的频率下按时间采样。在一个实施例中，时域信号可以在两倍于发动机第一阶频率的频率下进行采样。在一个实施例中，时域信号可以在大于两倍于发动机红线频率(red-line frequency)的频率下进行采样。因此,通过在大于或等于奈奎斯特速率的频率下进行低通滤波和采样，发电机数据的频谱不可能虚构。这同样可以应用于发动机的速度数据。
[0054]如本发明所述，采样的发电机数据(例如直流链电压、转矩等)可以被转换，以生成频域频谱。在一个实施例中，快速傅立叶变换可以用来生成频域频谱。在一个实施例中，相关性算法可以用来比较发电机数据的频谱与发动机状况的信号特征。例如，正常发动机的信号特征可以包括幅值低于第一阶阈值的第一阶频率下的频谱和幅值低于半阶阈值的半阶频率下的频谱。第一阶阈值可以对应于发动机速度、发动机负荷、曲柄箱温度和历史发动机数据。
[0055]例如，历史发动机和发电机数据可以存储在包括来自发动机早期操作的频谱的样本的数据库中。因此，可以检测到频谱的趋向，并且该趋向可以用来确定发动机的正常与否。例如，对于指定发动机速度和负荷，增大的发动机半阶分量下的幅值可以表明气缸退化。作为另一个例子，对于指定发动机速度和负荷，平均曲柄箱压力增大而发动机半阶分量下的幅值不增大，可以表明涡轮增压器或曲柄箱排出系统退化。可能的故障可以包括退化的气缸、退化的涡轮增压器或退化的曲柄箱排出系统。
[0056]在一个实施例中，发电机数据的频谱可以存储在包括历史发动机和发电机数据的数据库中。例如，数据库可以存储在控制器150的存储器154中。作为另一个例子，数据库可以存储在远离轨道车辆106的位置处。例如，历史数据可以封装在消息中，并且利用通信系统190传递。这样，命令中心可以实时监测发动机的正常与否。例如，命令中心可以执行步骤，以利用通信系统190传递的发电机数据来诊断发动机的状况。例如，命令中心可以接收发电机数据(包括轨道车辆106的直流链电压数据)、对直流链电压数据进行频率变换、对传递的数据应用相关的算法、以及诊断发动机的可能退化。另外，命令中心可以计划维护和配置正常机车和维护人员，以优化资金投资。在发动机维修、发动机修改和发动机部件完全改变之前和之后，历史发电机数据还可以用来评价发动机的正常与否。
[0057]在一个实施例中，可能的故障可以经由显示器180报告给机车操作人员。一旦得到通知，操作者就可以调整轨道车辆106的操作，以降低发动机进一步退化的可能。在一个实施例中，指示可能的故障的消息可以利用通信系统190传递到命令中心。另外，可以报告可能的故障的严重程度。例如，根据发电机数据的频谱诊断故障可以允许比仅仅利用平均发动机信息(例如仅仅速度信息)诊断故障更早地检测到故障。因此，当在退化的早期阶段诊断到可能的故障时，发动机可以继续操作。相比之下，在可能的故障被诊断为严重的情况下，可能有利的是停止发动机或计划迅速进行维护。在一个实施例中，根据发电机数据的频谱的一个或多个分量的阈值和幅值之间的差，可以确定可能的故障的严重程度。
[0058]通过分析发电机数据的频谱，能够在操作期间监测和诊断发动机。另外，可以调整具有退化的部件的发动机的操作，以能够减少发动机部件的进一步退化，并且能够减小额外的发动机故障和使用中故障的可能性。例如，半阶分量可以与半阶阈值进行比较。在一个实施例中，如果半阶分量的幅值大于半阶阈值，那么可能的故障可以是退化的气缸。然而，如果半阶分量的幅值不大于半阶阈值，那么可能的故障可以是退化的涡轮增压器或退化的曲柄箱排出系统。[0059]在一个实施例中，可能的故障可以经由显示器180报告给机车操作人员，操作者可以调整轨道车辆106的操作，以降低进一步退化的可能。在一个实施例中，诊断到可能的故障的消息可以利用通信系统190传递到命令中心。
[0060]在一个实施例中，发动机操作参数可以被调整以识别退化的气缸。例如，可以根据选择性地停止将燃料喷射到发动机的一个或多个气缸，来识别退化的气缸。在一个实施例中，当监测发电机数据和相关的频谱中的一者或多者时，对于序列中的多个气缸的每个气缸而言可以停止进行燃料喷射。例如，当其它气缸正常操作时，可以停止一个气缸的燃料喷射。通过停止序列中的每个气缸，可以识别退化的气缸。作为另一个例子，当其它气缸正常操作时，燃料可以停止喷射到气缸组。通过循环通过序列中不同的组，可以通过消除过程识别退化的气缸。
[0061]在一个例子中，可以针对四冲程发动机的每个停用气缸，监测发电机数据的半阶频率分量。在气缸停用的同时，当半阶频率分量下降到半阶阈值以下时，停用的气缸可能是退化的气缸。在气缸停用的同时，当半阶频率分量保持为半阶阈值以上时，停用的气缸可能是正常的气缸。换句话讲，退化的气缸可以是在半阶频率分量下提供比其它气缸更多量频谱的气缸。在一个实施例中，当发动机以怠速或轻微负荷运转时可以执行选择性停用诊断。
[0062]在一个实施例中，选择性停用诊断还可以进一步基于诸如发动机速度的发动机操作参数的频谱。例如，当退化的气缸运转时，发动机速度可以包括半阶频率分量下的频谱。因此，在选择性地停用各个气缸时观察各个发动机操作参数的频谱可以识别退化的气缸。
[0063]在一个实施例中，可以根据选择性地改变对发动机的一个或多个气缸的燃料喷射，来识别退化的气缸。例如，在监测发电机数据的半阶频率分量时，对于每个气缸可以选择性地增加或减少燃料。另外，每个气缸的信号特征，例如频谱，可以与发动机的历史数据或正常发动机进行比较。例如，可以对正常发动机进行诊断测试，以生成基线信号特征。然后，当诊断发动机时，基线信号特征可以与频谱进行比较。在一个实施例中，通过改变发动机燃料喷射正时，可以识别退化的气缸。例如，前进角调节可以用来诊断退化的气缸。例如，发动机燃料喷射正时可以被延迟，以可能地增加半阶频率分量的频谱。
[0064]与使得退化的气缸可能引起发动机额外损坏相比，更加期望的是切断发动机。在一个实施例中，阈值可以被确定为表明发动机继续操作可能是不期望的，原因是可能的故障是严重的。例如，如果半阶频率分量的幅值超过了阈值，则可能的故障可以判断为是严重的。在可能的故障的严重性超过了阈值的情况下，可以停止发动机。
[0065]可以例如通过经由例如通信系统190发送的消息，发送计划进行维修的请求。另夕卜，通过发送可能的故障状况和可能的故障的严重性，可以减小轨道车辆106的停机时间。例如，当故障不太严重时，可以推迟轨道车辆106的维修。通过降低发动机的额定功率，例如通过根据诊断状况调节发动机操作参数，可以进一步减小停机时间。可以确定是否能够降低发动机的额定功率。例如，降低发动机的额定功率可以减小发电机数据的频谱的一个或多个分量的幅值。
[0066]可以调节发动机操作参数，例如以减少退化的部件的额外退化。在一个实施例中，可以监管发动机速度或功率。在一个实施例中，可以减少或停用可能退化的气缸的燃料喷射，而继续操作其它的气缸。因此，发动机可以继续操作，并且可以进一步减少退化的气缸的退化。这样，发动机可以进行调节，以能够减少发动机部件的进一步退化，并且能够减小隐患发动机故障和道路故障的可能性。
[0067]在一个实施例中，测试套件可以用来识别发电机数据的频谱，并且根据与发电机相关的发电机数据的频谱诊断发动机的状况。例如，测试套件可以包括控制器，该控制器能够操作以与一个或多个发电机传感器通信，并且能够操作以采样相关的发电机数据。控制器还能够操作以将来自一个或多个发电机传感器的信号转换为表示发动机频率信息的频谱。控制器还能够操作以根据来自发电机传感器的发电机数据的频谱诊断发动机的状况。测试套件还可以包括一个或多个传感器，以用于感测发电机参数(例如发电机输出电压)和/或发动机参数(例如发动机速度)。
[0068]在说明书和权利要求中，参考的多个术语具有以下的含义。单数形式“一”、“该”和“所述”包括指代复数，除非上下文另有清晰的表示。如本发明说明书和权利要求中所用的，大约化的语言可以用来修改任何数量上的表示，这允许能够进行改变，而不会导致相关的基本功能的变化。因此，由诸如“大约”的术语修改的值并不限于所指定的精确值。在某些情况下，大约化的语言可以对应于测量该值的仪器的精度。相似地，“无”可以与术语结合使用，并且可以包括无实质性的数字或微量，同时仍然被认为无修改的术语。此外，除非另外特别说明，术语“第一”、“第二”等的任何使用并不表示任何顺序或重要性，而是术语“第一”、“第二”等用来将一个元件与另一个元件区分开。
[0069]如在此所用的，术语“可以”和“能够”表示在一组情形中发生的可能性；拥有特定的特性、特征或功能；和/或通过表达与有资格的动作相关的能力、性能或可能性而限制另外的动作。因此，“可以”和“能够”的使用表明修改的术语明显合适、能够或适合于表明的能力、功能或用途，同时考虑到在某些情形下，该修改的术语可能有时不是合适、能够或适合的。例如，在某些情形下，可能期望事件或能力，而在其它情形下，该事件或能力不会发生，术语“可以”和“能够”表明了这种区别。术语“发电机”和“交流发电机”在本发明中互换使用(然而，已经认识到，根据应用，一个术语或其它术语可能是更加合适的)。术语“频谱”和“谐波含量”在本发明中互换使用，并且可以指基础频率(和/或相位)分量以及基础频率之上和之下的相关的谐波频率(和/或相位)分量。在此所用的相对于控制器或处理器的术语“指令”可以指计算机可执行指令。在此所用的，术语“速度”、“速度数据”和“速度信号”可以指发动机转速、测量的发动机速度的谐波含量、循环与循环之间的测量的发动机速度的差、发动机在预定角度上转动的随时间的差、以及多个时间间隔中的任一种，其中每个时间间隔对应于发动机转过指定角度所花费的时间量。
[0070]本发明所述的实施例是物品、系统和方法的例子，其各元素对应于权利要求中记载的本发明的元素。所写的说明书使得本领域技术人员能够制造和使用具有可选元素的各实施例，这些可选元素同样对应于权利要求中记载的本发明的元素。从而，本发明的范围不仅包括与权利要求的文字语言一致的物品、系统和方法，还包括与权利要求的文字语言无实质性区别的其它物品、系统和方法。虽然在本发明中仅仅示出和描述了某些特征和实施例，但是本领域技术人员能够想到许多修改和改动。所附权利要求涵盖所有这样的修改和变化。
【权利要求】
1.一种用于发动机(110)的方法，所述发动机(110)操作地连接到发电机(120)，所述方法包括: 在操作期间测量与所述发电机(120)相关联的至少一个参数； 根据所述至少一个测量的参数确定与所述发电机(120)相关联的转矩曲线；以及 根据所述确定的转矩曲线的频谱(420)诊断所述发动机(110)的状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个测量的参数包括直流链电压(171)、直流链(171)电流、发电机(120 )励磁电流、发电机(120 )励磁电压、发电机(120 )的输出电流和发电机(120)输出电压中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下之一:向操作者提供警告信号；降低发动机(110)额定功率；将诊断的状况传递到中央位置；关闭发动机(110)的至少一个气缸；关闭发动机(110);响应于所述诊断平衡发动机(110)的气缸。
4.一种车辆系统(100)，其包括: 发动机(110)； 发电机(120 )，所述发电机(120 )可操作地连接到所述发动机(110); 至少一个传感器(170)，所述至少一个传感器(170)用于在操作期间测量与所述发电机(120)相关联的至少一个参数；以及 控制器(150)，所述控制器(150)包括指令，所述指令被构造成用以: 采样所述至少一个测量的参数，并且将所述至少一个测量的参数转换为转矩曲线； 识别所述转矩曲线的频谱(420);以及 根据所述转矩曲线的频谱(420)诊断所述发动机(110)的状况。
5.根据权利要求4所述的车辆系统(100)，其中所述控制器(150)可操作成用以报告退化的发动机(110)的状况。
6.根据权利要求4所述的车辆系统(100)，其中所述控制器(150)还包括指令，所述指令被构造成用以根据所述诊断的状况来调节发动机(110)操作参数。
7.一种用于发动机(110)的方法，所述发动机(110)操作地连接到发电机(120)，所述方法包括: 在操作期间测量与所述发电机(120)相关联的电气参数； 根据所述测量的电气参数的频谱(420)诊断所述发动机(110)的状况。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过分析所述频谱的半阶频率分量的幅值和相位中的至少一个，来诊断所述发动机(110)的状况。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述电气参数是以下参数之一:直流链(171)电压、直流链(171)电流、发电机(120)励磁电压、发电机(120)励磁电流、发电机(120)输出电压或发电机(120)输出电流。
10.一种车辆系统(100)，其包括: 发动机(110); 发电机(120 )，所述发电机(120 )可操作地连接到所述发动机(110); 传感器(170)，所述传感器(170)用于在操作期间测量与所述发电机(120)相关联的电气参数；以及 控制器(150)，所述控制器(150)包括指令，所述指令被构造成用以:采样所述测量的电气参数； 识别所述测量的电气参数的频谱(420);以及 根据所述测量的电气参数的频谱(420)诊断所述发动机(110)的状况。
11.根据权利要求10所述的车辆系统(100)，其中所述电气参数是以下参数之一:直流链(171)电压、直流链(171)电流、发电机(120)励磁电压、发电机(120)励磁电流、发电机(120)输出电压或发电机(120)输出电流。
12.根据权利要求10所述的车辆系统(100)，其中所述控制器(150)通过分析所述频谱(420)的半阶频率分量(421)的幅值和相位中的至少一个，来诊断发动机(110)的状况。
13.一种用于发动机(110)的方法，所述发动机(110)操作地连接到发电机(120)，所述方法包括: 在操作期间随时间测量与所述发电机(120)相关联的电气参数； 确定所述测量的电气参数的频谱(420);以及 从所述频谱(420)的至少一部分重新构造直流调制曲线，其中所述直流调制曲线与所述发电机(120 )的电磁转矩成比例。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括:根据重新构造的直流调制曲线诊断发动机(110)的状况。
15.一种用于发动机(110)的方法，所述发动机(110)操作地连接到发电机(120)，所述方法包括: 测量与所述发动机(I 10)相关的至少一个参数； 测量与所述发电机(120)相关联的至少一个参数；以及 根据所述测量参数诊断所述发动机(110)的状况。
【文档编号】F02D41/22GK103814202SQ201280044835
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2011年9月15日
【发明者】A.班纳吉, A.K.库马, A.K.蒂瓦里, R.穆赫吉, S.拉马钱德拉帕尼克, P.L.弗林, B.斯里拉萨 申请人:通用电气公司