用于移动式机器的发动机控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于供发动机使用的控制系统。该控制系统可具有配置成产生指示循环通过发动机的冷却液的压力的第一信号的冷却液压力传感器和配置成产生指示循环通过发动机的油的压力的第二信号的油压传感器。该控制系统还可具有与冷却液压力传感器和油压传感器通信的控制器。该控制器可配置成在发动机运转期间确定冷却液和油压传感器的工作情况，并且在确定冷却液压力传感器或油压传感器不工作时选择性地允许发动机以半保护模式运转。
【专利说明】用于移动式机器的发动机控制系统
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及发动机控制系统，并且更具体地涉及用于移动式机器的发动机控制系统。
【背景技术】
[0002]移动式机器如机车配备有提供用于机器的原动力的内燃机。当发动机发生故障时，机车通常停机以避免发动机的更昂贵的灾难性故障。然而，在完成任务期间使发动机停机会使机车和相关的列车滞留在难以实现发动机维修的地点。
[0003]2013年3月21日公开的、Worden等人的美国专利公报2013/0067994 (’994公报)中公开了一种解决上述问题的尝试。特别地，’994公报公开了一种能够检测发动机冷却液泄漏的机车系统。该机车系统包括发动机转速传感器、冷却液压力传感器、冷却液液位传感器和与各传感器通信的控制器。该控制器构造成基于在给定的发动机转速下测定的冷却液压力和测定的冷却液液位来形成压力曲线。该控制器则配置成在该曲线偏离预期曲线时诊断与发动机相关的问题。当诊断出问题时，控制器配置成产生通知操作员不同的低压冷却液状态的不同级别的低压警告。当测定的冷却液压力降至临界水平以下时，在可进行维护之前可降低发动机功率或者可将发动机停机以防止破坏性的温度。当冷却液温度处在标准压力范围之外时对减载运行、停机或继续运转的决定由操作员或机车系统基于发动机内测定的压力和温度来作出。
[0004]尽管’ 994公报的机车系统能够保护机车发动机免于高温而不会常常使发动机停机，当它依然不是最佳的。具体地，该机车系统并未公开在失去传感器数据期间应该做什么，或者在当发动机温度仍处在可接受的极限内时的冷却系统故障期间如何影响发动机运转。此外，该机车系统对防止就要发生故障的发动机用于在不方便的时间和/或地点的故障点方面收效甚微。
[0005]所公开的发动机系统针对克服上文陈述的问题中的一个或多个问题。
【发明内容】
[0006]在一个方面，本发明涉及一种用于发动机的控制系统。该控制系统可包括配置成产生指示循环通过发动机的冷却液的压力的第一信号的冷却液压力传感器和配置成产生指示循环通过发动机的油的压力的第二信号的油压传感器。该控制系统还可包括与冷却液和油压传感器通信的控制器。该控制器可配置成在发动机运转期间确定冷却液压力传感器和油压传感器的工作情况，并且在确定冷却液压力传感器或油压传感器不工作时选择性地允许发动机以半保护模式运转。
[0007]在另一方面，本发明涉及一种控制发动机的方法。该方法可包括使用冷却液压力传感器感测在运转期间循环通过发动机的冷却液的压力，以及使用油压传感器感测在运转期间循环通过发动机的油的压力。该方法还可包括在发动机运转期间确定冷却液压力传感器和油压传感器的工作情况，并且在确定冷却液压力传感器或油压传感器不工作时选择性地允许发动机以半保护模式运转。
[0008]在又一方面，本发明涉及另一种用于移动式机器的发动机的控制系统。该控制系统可包括油压传感器和与该油压传感器通信的控制器，所述油压传感器配置成在移动式机器完成第一任务期间产生指示循环通过发动机的油的压力的第一信号。该控制器可配置成将油的压力与最大正常压力值和停机油压值进行比较。该控制器还可配置成当在移动式机器完成第一任务期间油的压力大于最大正常压力值且小于停机油压值时禁止移动式机器开始第二任务。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是示例性公开的机器的概略图；
[0010]图2是可以结合图1的机器使用的示例性公开的控制系统的示意图；
[0011]图3和4是描绘操作图2中的控制系统的不同示例性公开的方法的流程图；以及
[0012]图5是可在完成图3和4的方法中的一者或两者期间使用的示例性公开的控制脉谱图。
【具体实施方式】
[0013]图1图示了示例性机器10。机器10可以是执行与诸如运输、耕种、采矿、建筑的行业或本领域已知的任何其它行业相关的某一类型的操作的移动式机器。例如，机器10可以是列车编组的机车。机器10可尤其包括在相对的端部由多个转向架14支承的车身12。各转向架14可构造成通过多个车轮18与轨道16接合，并支承车身12的框架20。任何数目的发动机22可安装在框架20上，容纳在车身12内，并且配置成驱动产生用于驱动车轮18的电力的发电机24。
[0014]发动机22可包括至少部分地限定出多个缸的发动机缸体26。出于本发明的目的，发动机22被描绘和描述为具有排列成两列的12个气缸的四冲程柴油发动机。然而，本领域的技术人员将认识到，发动机22可以是任何其它类型的燃烧式发动机，例如汽油或气态燃料动力的发动机，和/或发动机22可包括更大或更小数目的气缸，并且气缸可成“直列”构型、“V”形构型或任何其它合适的构型配置。
[0015]同样如图1所示，发动机22可与有利于动力的产生的一个或多个系统相关。特别地，发动机22可连接到冷却系统28以及与发动机22和冷却系统28接口以调节它们之间的配合的控制系统30。在机器10内包括多于一个发动机22的实施例中，如果希望的话，设想各发动机22可与其自身的专用冷却系统28或公共冷却系统28相关联。
[0016]冷却系统28可包括用于冷却发动机22的构件。具体地，冷却系统28可包括热交换器(例如，散热器)32、位于热交换器32附近的一个或多个风扇34和泵36。诸如水、乙二醇、水/乙二醇混合物、混有空气的混合物或任何其它热传递流体可由泵36加压并经通路38被引导到发动机22 (例如，发动机油冷却器、发动机气缸盖、发动机缸体26、发动机涡轮增压器和/或其它发动机构件)以从其吸热。在离开发动机22之后，冷却液可经通路40被引导到热交换器32，在此所吸收的热释放，且然后经泵36被收回以重新起动该循环。如果希望的话，旁通回路(未示出)可连接在通路38和40之间，并用于响应于一个或多个输入(例如，基于通路38、40内的冷却液的温度)而选择性地将一部分或全部冷却液从热交换器32周围的通路40直接引导到通路38。风扇34可用于产生从冷却液吸热的、通过热交换器32的空气流。可以想到，如果希望的话，冷却系统28可采取本领域中已知的另一种形式。
[0017]如图2所示，控制系统30可包括配合成响应于各种不同输入而调节发动机22和/或冷却系统28的运转的构件。具体地，控制系统30可包括机车控制器42和单独的发动机控制器44。机车控制器42可位于机器10的操作室附近并且配置成接收来自操作员的输入和响应地调节机器运转(例如，指令发动机22的期望转速和/或调节发电机24对发动机22施加的负荷)。发动机控制器44可位于发动机22附近(例如，车身12内)并且构造成响应于来自机车控制器42的指令和/或发动机22和/或冷却系统28的各种测定的性能参数而调节发动机运转(例如，对发动机转速和/或负荷加以限制，选择性地使发动机22停机，停止特定功能等)。设想如果希望的话，机车和发动机控制器42、44可以替代地实施为同一控制器的不同模块。
[0018]各机车和发动机控制器42、44可包括单个微处理器或多个微处理器，所述微处理器包括用于控制相关构件的操作的装置。许多市售微处理器可以配置成执行控制器42、44的功能。控制器42、44均可包括存储器、辅助存储装置、处理器、计时器和任何其它用于运行应用程序的构件。各种其它回路可以与控制器42、44相关，例如电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路和其它类型的电路。
[0019]由控制系统30接收的不同输入可尤其包括操作员期望的行驶速度(例如，等级设定)、目的地、任务分配、实际冷却液压力、实际冷却液温度、实际发动机油压、实际发动机油温、实际冷却液液位、实际油位、实际发动机转速和本领域中公知的其它输入。操作员期望的行驶速度、目的地和任务分配可经由位于机器10的操作室内的一个或多个接口装置46提供给机车控制器42。实际冷却液压力、冷却液温度、发动机油压、发动机油温、冷却液液位、油位和发动机转速可经由一个或多个不同的传感器48(例如，油压传感器48a、油温传感器48b、冷却液压力传感器48c、冷却液温度传感器48d、发动机转速传感器48e和一个或多个冷却液液位传感器48f)提供给发动机控制器44。这些传感器48中的每个传感器都可布置在相关的构件和系统附近和其内的任何位置并且配置成产生指示测定参数的实际值的信号。这些信号可被引导到发动机控制器44以进行进一步处理。
[0020]图3-5是与不同示例性公开的操作方法相关的图示。下文将更详细地讨论这些图以进一步说明所公开的思想。
[0021]工业话用件
[0022]所公开的控制系统可适用于其中相关的发动机在完成所分配的任务期间继续运转很重要的任何移动式机器。所公开的控制系统可提供采用至少两种不同方式使发动机继续运转，包括当冷却液温度升高、冷却液压力低和/或冷却液数据被错误地传送时基于油温来管理发动机负荷；以及当相关的发动机正接近无法接受的运转时禁止对移动式机器的任务分配。现在将参考图3-5说明这两种不同的控制方法。
[0023]如图3所示，第一控制方法可开始于发动机控制器44在完成已经分配的任务期间监视与冷却系统28和发动机22相关的温度。具体地，发动机控制器44可将实际冷却液温度(由传感器48c提供)与实际油温(由传感器48b提供)之差与临界差值进行比较(步骤300)。正常情况下(B卩，当还没有发生大的故障时)，冷却液温度应该约等于油温。例如，冷却液温度通常应该处在油温的约+/-8° F范围内。然而，当冷却液温度与油温之间存在明显差异时，发动机控制器44可推断已发生严重故障并立即使发动机22停机(步骤340)。在所公开的实施例中，冷却液温度与油温之间的明显差异可视为约50° F以上的差异。可以想到发动机控制器44可在该时点(和发动机控制器44使发动机22停机的所有其它时间)产生指示使发动机22停机以对机器10进行维修的状态的标记。
[0024]在确定冷却液温度与油温之间的差异不超过临界差值时，发动机控制器44则可将实际油压(由传感器48a提供)与临界压力值进行比较(步骤305)。低油压会引起提供给发动机22的构件的润滑和冷却不充分。因此，当实际油压过低(即，低于临界压力值)时，发动机控制器44可推断已发生严重故障并响应地使发动机22立即停机(步骤340)。
[0025]然而，当在步骤305发动机控制器44判定发动机22的实际油压高于临界压力值时，发动机控制器44然后可确认油压传感器48a和冷却液压力传感器48c两者都正常工作(步骤310)。发动机44可通过查看任何电压故障是否有效并与任一传感器48a、48c相关来确认该工作情况。
[0026]如果在步骤310发动机控制器44判定压力传感器48a或48c中的一个或多个不正常工作，则发动机控制器44可推断不能出于控制目的而依赖于由这些传感器产生的信号的值。然而，这并不意味着发动机22必须立即停机，因为没有发动机22由于冷却或润滑的缺乏而处于故障危险之中的证据。作为替代，发动机控制器44可起动计时器(步骤325)并且不论来自失效的压力传感器的信号值如何都允许发动机22在分散的时间段运转。特别地，在起动计时器之后，发动机控制器44可继续将经过的时间段与允许的时间段进行比较(步骤330)，并基于该比较来允许该发动机22以“半保护”运转模式运转。在半保护运转模式下，发动机控制器44可忽略来自压力传感器48a、48c的信号。在允许的时间段已经过去之后，控制可转入步骤340，在该步骤发动机22停机。在一个实施例中，该允许时间段可为约5天。该时间段可允许机器10的操作员移动到更方便的停机地点，完成当前任务，和/或在发动机停机之前尝试并诊断和解决传感器故障的诱因。应该指出的是，在以半保护模式运转期间，其它保护策略(例如，最高油温策略)仍可适用。
[0027]当发动机控制器44在步骤310判定还没有发生压力传感器故障时，发动机控制器44则可判定冷却系统28的压力是否低。亦即，发动机控制器44可将来自冷却液压力传感器48c的信号与低压力临界值进行比较并检查是否至少在最小的时间量建立低压力值(步骤315)。在一个示例中，最低时间量可为约2分钟。如果冷却液压力高于低压力临界值或不是始终低，则发动机控制器44可允许发动机22正常运转(步骤320)。
[0028]低冷却液压力信号可指示冷却液泄漏和无法正确地冷却发动机22。然而，即使对于低冷却液压力，也依然能充分保持发动机22低于破坏性的温度水平。因此，如果在步骤315，发动机控制器44判定实际冷却液压力低，则发动机控制器44可查看来自油温传感器48b的信号是否正被接收并有效(例如，在预期范围内)(步骤345)。如果来自油温传感器48b的信号未被接收和/或无效，则发动机控制器44可转入步骤340并立即将发动机22停机。
[0029]然而，如果在步骤345发动机控制器44判定油温传感器48正产生有效信号并将其发送到发动机控制器44，则发动机控制器44可查看两个冷却液液位传感器48f是否正常工作以及冷却系统28是否具有残留冷却液供给(步骤350)。如果这些条件中的任一条件不真实，则发动机控制器44可转入步骤340并立即使发动机22停机，因为在没有冷却液的情况下无法充分冷却发动机22和/或在不了解残留冷却液液位的情况下使发动机继续运转风险过大。两个冷却液液位传感器48f的状态可作为冗余测量确定，以帮助确保对发动机温度的适当控制。设想如果希望的话，控制可替代地基于来自单个冷却液液位传感器48f的信息。
[0030]当在步骤350发动机控制器44判定两个冷却液液位传感器48f都正常工作且冷却系统28内保持冷却液的充分供给(即使冷却液压力低)时，发动机控制器44可允许发动机22以“穿越”模式运转(步骤355)。该穿越运转模式可包括其中不论冷却液温度或压力如何都直接基于测定的油压来精确地调节发动机22上的负荷的运转。例如，随着发动机油温在期望的温度范围内上升，发动机负荷可降低以将发动机油温降低到该范围内，且反之亦然。可通过将机器10的行驶速度限制为与该温度对应的特定等级设定来选择性地调节发动机22的负荷。不论操作员提供给机车控制器42的指令如何，都可施加该限制。因此，当机车控制器42根据操作员要求而指令比限制设定高的速度等级设定时，发动机控制器44可将该限制传送给机车控制器42并拒绝服从该指令。然而，在贯穿机器10运转的任何时间，如果实际发动机油温上升到期望范围(例如，上升到约250° F)以上，则发动机控制器44可立即使发动机22停机。
[0031]利用该第一控制方法，机器10能够在否则它通常将停机的选定时间继续运转。例如，在油和/或冷却液压力故障状况下，机器10可设有运转时间窗，其允许机器10在被停机和维修之前完成其当前任务。此外，在低冷却液压力期间，只要发动机22可以维持在期望的温度范围内并低于最高温度水平，运转就可继续，即使以基于发动机22的实际温度的降低的水平运转。这可提供“跛行模式”功能，这降低了机器10在不方便的地点或时间滞留的可能性。
[0032]图4所示的第二控制方法可致力于当发动机22在新任务期间将经历过热的可能性高时禁止机器10被分配和从事新任务。该方法可在机器10的整个运转过程中连续执行(例如，与上述第一方法同时执行)，并且可以不受第一方法限制或与第一方法根本不相关。如图4所示，第二方法可开始于发动机控制器44将发动机22的实际油压(由油压传感器48a测量)与停机油压值进行比较(步骤400)。当发动机22的实际油压约等于或小于停机油压值时，发动机控制器44可推断发动机22没有受到充分的冷却或润滑。在此状况下，发动机控制器44可立即使发动机22停机(步骤405)以减小由于当前状态而对发动机22造成的损坏量。
[0033]只要实际发动机油压高于停机油压水平，发动机控制器44就可允许完成当前任务。然而，发动机控制器44仍可配置成检测指示未来低压状态的状态并相应地作出响应。特别地，发动机控制器44可构造成将实际发动机油压与正常压力临界值进行比较(步骤410)。如在图5所示的控制脉谱图500中可见，发动机22的可能的油压值的范围已被分为多个区域。这些区域包括正常区域510、警告区域520和停机区域530。当实际油压值超过基于速度的停机压力值时，实际油压值处在停机压力区域530内。只要实际油压值低于基于速度的正常压力临界值，实际压力值就处在正常区域510内并且发动机控制器44不会采取明显的动作(即，不会重置计时器-步骤415，这将在下文更详细地描述)。然而，当实际油压值大于正常压力临界值并低于停机压力值时，实际油压值处在警告区域520内。
[0034]当发动机油压值处在警告区域520内时，油压值可指示即将发生的发动机22过热事件。因此，发动机控制器44可采取另外的动作以确认即将发生的过热事件的可能性。具体地，发动机控制器44可将发动机22的实际油温(由传感器48b提供)与高温临界值进行比较并将发动机22的实际转速(由传感器48e提供)与低转速临界值进行比较(步骤420)。在该公开的实施例中，高温临界值可为约180° F，而低转速临界值可为约400rpm。当发动机22的实际油温低于高温临界值且发动机22的转速低于低转速临界值时，发动机22过热的可能性低并且发动机44可以不采取进一步的动作。控制可从步骤420经步骤415转入步骤400。
[0035]然而，如果在步骤420发动机控制器44判定实际油温高于约180° F和/或发动机22的转速大于约400rpm，则发动机控制器44可起动计时器(步骤425)并将经过的时间量与临界时间值进行比较(步骤430)。只要经过的时间还没有超过临界时间值，控制就可返回步骤400并重复上述循环。如果在步骤400-430重复期间的任何时间，实际油压降到警告区域520以下，实际温度低于约180° F，和/或实际发动机转速低于约400rpm，则可停止并重置由发动机控制器44在步骤425起动的计时器。该状况可表示，尽管某些参数可能已偏离正常运转，但它们并未偏离到足以表明发动机22存在问题。
[0036]在完成步骤400-430期间，当经过的时间超过临界时间值时，发动机控制器44可产生指示该状况的标记(步骤435)。该标记可包含与实际油压、实际温度、发动机转速和相关的时长有关的信息，以及与在新任务的分配和/或开始之前应该执行的维修有关的指令。如果在新任务的开始之前没有完成维修，则发动机22在该新任务期间将经历过热事件的可能性高。
[0037]发动机控制器44可监视在步骤435产生的标记的状态，以判定是否已执行所需的维修(步骤440)。在一个例子中，该维修可仅包括检查发动机22和/或冷却系统28以及去除该标记。在另一个例子中，该维修可包括执行例行维护和/或发生故障的构件或系统的修理或更换。不论状况如何，发动机控制器44都可仅允许在于步骤435产生的标记被去除之后分配和/或开始新任务(步骤445)。否则，发动机控制器44可禁止新任务的分配和/或开始(步骤450)。在步骤445或450中的任一步骤完成之后，控制可返回步骤400。
[0038]利用该第二控制方法，机器10能避免发动机在任务的中途停机。具体地，可禁止经历该事件的可能性高的机器10开始新任务，而是代之以在该事件发生之前进行维修。这可帮助防止机器10在不方便的时间和地点滞留。对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以对本发明的控制系统作出各种修改和变更。根据本说明书和本文中公开的实践，该控制系统的其它实施例对本领域的技术人员说将显而易见。本说明书和示例应当被认为只是示例性的，本发明的真实范围由以下权利要求和它们的等同物来表示。
【权利要求】
1.一种用于发动机的控制系统，包括: 冷却液压力传感器，其配置成产生指示循环通过该发动机的冷却液的压力的第一信号; 油压传感器，其配置成产生指示循环通过该发动机的油的压力的第二信号；和 控制器，所述控制器与所述冷却液压力传感器和所述油压传感器通信且配置成: 确定所述冷却液压力传感器和所述油压传感器在所述发动机运转期间的工作情况；和 当确定所述冷却液压力传感器或所述油压传感器不工作时，选择性地允许所述发动机以半保护模式运转。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中: 所述控制器还配置成跟踪自确定所述冷却液压力传感器或所述油压传感器不工作以来经过的时间量；和 所述控制器配置成只要所述经过的时间量小于临界时间段，就允许所述发动机只以所述半保护模式运转。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述临界时间段是足以允许其中安装有所述发动机的移动式机器移动到维修地点的时间段。
4.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述控制器还配置成当所述经过的时间量约等于所述临界时间段时使所述发动机停机。
5.根据权利要求2所述的控制系统，还包括油温传感器，所述油温传感器配置成产生指示循环通过所述发动机的油的温度的第三信号，其中所述控制器还配置成: 将所述冷却液的压力与临界压力值进行比较； 判定所述油温传感器的工作情况；并且 当所述冷却液的压力小于所述临界压力值时，直接基于所述第三信号选择性地调节所述发动机上的负荷。
6.根据权利要求5所述的控制系统，还包括冷却液液位传感器，所述冷却液液位传感器配置成产生指示可用于循环通过所述发动机的冷却液的量的第四信号，其中所述控制器配置成仅在所述第四信号指示可用冷却液量大于临界量时直接基于所述第三信号来选择性地调节所述发动机上的负荷。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中: 所述冷却液液位传感器是第一冷却液液位传感器； 所述控制系统还包括第二冷却液液位传感器，所述第二冷却液液位传感器产生指示可用于循环通过所述发动机的冷却液的量的第五信号；和 所述控制器配置成仅在所述第四信号和所述第五信号两者都指示可用冷却液量大于临界量时直接基于所述第三信号来选择性地调节所述发动机上的负荷。
8.根据权利要求6所述的控制系统，其中，所述控制器配置成在判定所述冷却液液位传感器不工作时或者在所述第四信号指示可用冷却液量小于所述临界量时使所述发动机立即停机。
9.根据权利要求5所述的控制系统，还包括冷却液温度传感器，所述冷却液温度传感器配置成产生指示循环通过所述发动机的冷却液的温度的第四信号，其中所述控制器还配置成在所述冷却液的温度与所述油温之差超过临界差值时使所述发动机立即停机。
10.根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述控制器配置成: 仅在所述冷却液的压力小于所述临界压力值持续至少临界时间段时，直接基于所述第三信号来选择性地调节所述发动机上的负荷；和 当所述冷却液的压力小于所述临界压力持续小于所述临界时间段的时间段时，基于操作员要求的转速来选择性地调节所述发动机上的负荷。
【文档编号】F02B77/08GK104213979SQ201410241800
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2013年6月3日
【发明者】C·W·蒙特戈梅利, D·J·梅拉斯, B·S·西尔弗斯 申请人:易安迪机车公司