专利名称:用于自推进牵引车辆的自动隧道探测器的制作方法
本发明一般涉及象装有热发动机机车那样的牵引车辆，尤其涉及自动探测隧道内是否存在机车的装置。
象机车这类大型自推进牵引车辆，通常使用热发动机来驱动电气传动装置，该装置包括发电装置以对多个直流牵引电动机供电，这些电动机的转子通过减速齿轮分别驱动车辆的轮轴组。典型的发电装置包括一个三相主牵引交流发电机，其转子机械地连接到发动机的输出轴(一般是一个16缸涡轮增压柴油机)，当励磁电流加到转子的磁场绕组时，在交流发电机的三相定子绕组中就产生交流电压，这些电压被整流后送到牵引电动机的转子绕组。
在转动或推进运行状态期间，不管机车速度如何，柴油机车根据油门位置和环境条件趋向输出恒定功率。为达到最高性能，必须适当控制牵引交流发电机的输出电功率，以使机车利用发动机的满功率。机车在最小输出功率和满功率间分有若干等级。为了很好地控制火车，使用中等输出功率级。但是，不管发动机在什么功率级，它的负载必须不超过它所能产生的功率，过载会引起过早的磨损，发动机失速或停车(bogging)或其它不良后果。在历史上，已设计了一些机车控制系统，使发动机所产生的功率可从零到最大马力间步级可变;并且无论司机选择什么功率级，均可使其能自动地与牵引和附加负载要求的功率相匹配。
发动机的马力与曲轴旋转的角速度和相对于这种运动的转矩的乘积成比例。为改变和调节有效功率的量起见，通常的作法是在机车发动机上装设一个速度调节控制器，该调速器调节喷入每个发动机汽缸的加压柴油燃料(即燃料油)的量，以使曲轴的实际速度(RPM)与所期望的速度相对应。在许可范围内，所需速度是通过人工操纵油门的操纵杆或手柄来设定的。油门能在低功率位置(N1)和最大功率位置(N8)的8级(档)间选择移动。油门手柄是机车驾驶室内操纵台的一部分(除了惯用的8个功率档外，该手柄还有一个“怠速”(idle)档和一个“停车”档)。
油门手柄位置决定了相应调速器的发动机速度的设定。在一个典型的调速器系统中，一个电动液压装置的输出活塞通过机械连杆连到一对可移动的油泵架上，油泵架依次与多个喷油泵相联，这些喷油泵分别测量加到发动机各个动力汽缸的油量。调速器对所需速度(由油门操纵)与发动机实际速度进行比较，并使其输出活塞移动油泵架到达使这两个速度间的偏差为最小时所必需的位置。
对8种不同设定速度中的每一种速度，发动机能产生一个相应的功率常量(假定最大输出转矩)。当选择油门档8时，达到最高速(例如1050rpm)和最大额定总功率(例如4000马力)。在正常情况下，每个档所预定的发动机可用功率与电推动系统所要求的功率，和某些电气和机械传动辅助设备所消耗的功率相匹配。电推动系统由发动机驱动的主交流发电机供能。
主交流发电机的输出功率(KVA)与所产生的电压和负载电流的有效值的乘积成比例。该电压值随发动机的转速而变，而且它也是交流发电机磁场绕组中励磁电流值的一个函数。为了精确控制和调节发动机负载的量，一般做法是调节牵引交流发电机的磁场强度以补偿负载变化及使实际的功率和所期望功率间的误差减至最小。期望功率取决于发动机设定的具体速度。这种励磁控制将形成一个平衡的稳定状态，其结果使油门手柄的每个位置均具有真正恒定的最佳电功率输出。
在实际应用中，上述概述的柴油-电气机车的控制系统还包括用于系统非正常操作和响应某些暂时不正常情况(诸如轮子无附着力，润滑油系统或发动机冷却剂系统的压力降低或无论油门被定在什么速度上，负载超过了发动机的功率容量等)而减小发动机负载的相应装置。这种响应，通常称之为“降值”(deration)，以帮助机车从这样一些情况中恢复过来和/或避免发动机严重损坏。另外，励磁控制系统一般包括必要时限制或减小交流发电机输出电压时以分别保持电压值和负载电流值不超过预定最大安全级或极限的装置。当机车从静止状态开始加速时，限流是有效的。机车的在低速时，牵引电动机转子是缓慢旋转的，因此它们的反电动势是低的。此时，一个低的发电机电压能产生最大的负载电流，从而产生加速所需的大的牵引力。另一方面，每当机车的速度高时，交流发电机电压幅度必须保持在其最大电平上不变，在高速情况下，牵引电动机的转子转得极快，它有一个高的反电动势，为了产生所需的负载电流，则必须要有高的发电机电压。
机车驱动系统需要降值的一种情况是发动机过热。如果由于任一方面的原因，发动机冷却系统不能有效地起作用而使发动机变得过热，机车的控制系统就减小发动机的牵引负载来响应由此引起的温度上升。在一个典型的先有技术系统中，这种降值情况出现在当发动机的润滑油超过预定的超温阈值(例如235°F)，则它将把负载降低到对所选择的油门位置来说为正常值的一个预定分数倍数(例如约3/4)。如果发动机更热了，象如下两种情况所指出的那样冷却剂超过了前述的极限温度一个预定长的时间，或润滑油温度达到了更高的值(例如245°F)，则不管其油门位置如何，卸掉所有的牵引负载，发动机自动地回到其“怠速”状态。
以上概述的先有技术，即使发动机或其冷却系统没有故障，也能由于环境的异常高空气温度而引起温度-响应降值。热空气降低了发动机冷却系统中水-空气热交换器(散热器)的冷却效率。在机车穿过一个相当长而通风又不好的隧道时就会出现这种情况。当包含有两辆或更多的牵引机车时，多列火车最后一列机车车头最有可能过热，因为它通过的有限空间是被前面机车排出的废气预热过的。在一个隧道中，一辆或几辆牵引机车所引起的降值将对机车的性能产生不良影响，由此增加了运行时间和减少了运输量，而这是人们所不希望的。只要发动机及其各种支持系统功能正常以及机车在隧道内的时间不是太长，这种降值并不是一定发生的。通常，一个机车推动系统和它的部件在短时间内的额定值可以明显地超过连续工作时的标称值，因此，机车至少能在一个短周期内(例如大约在10分钟以内)能安全地耐受由隧道环境引起的过热。所以在机车通过一个隧道而使发动机暂时过热时，消除或延迟存在于先有技术中的机车推进系统正常温度-响应降值，既是理想的也是可能的。
本发明总的目的是提供一种能自动探测隧道中机车存在的装置。
本发明另一个目的是为改善机车在隧道中的性能起见，在一辆柴油一发电机机车上提供能暂时抑制常规的过热降值功能的装置。
就以某一种形式实现本发明而言，一个装备有常规动力系统的机车包括多个牵引电动机，为牵引电动机提供电流的旋转牵引发电机或交流发电机装置，一个为驱动牵引交流发电机的热发动机和为给交流发电机磁场提供直流电流的可控励磁装置。发动机配备有响应速度控制信号的速度控制装置以便调节其运行速度，发动机还有其它几个支持系统，包括一个冷却系统和一个润滑油系统，它们以润滑油冷却器为界相互作用。冷却系统包括前述的油冷却器和许多气冷式散热片需要时冷却剂可在内循环流通。空气由相应的变速风扇吹过散热片，以适当控制，冷却剂维持在一个预定的相对稳定的正常温度范围(例如180-200°F左右)，在正常情况下，润滑油要明显地比冷却剂热，一般高出10至15°F左右。一第一温度传感器装于发动机和散热片入口之间，提供一个表示冷却剂温度的信号，一第二温度传感器安装于润滑油冷却器的热油侧，提供一表示润滑油温度的信号。
上述发动机速度控制信号是由一个控制器产生的，该控制器是与一手动操作的多位置油门相联，因而该速度控制信号的值随油门所选位置而作正常地变化。控制器也产生一个信号控制上述的磁场激励装置，该装置然后控制电压幅度，进而控制牵引交流发电机的输出电功率。这个励磁控制信号的值是油门位置的一个函数，因而正常的牵引功率按照这些量之间的一种所需关系，跟随发动机速度(功率)。但是，在过热异常情况下，发动机卸去牵引负载，并偏离正常的负载-功率关系。这种牵引功率的降值是由控制器来实现的。如果冷却剂温度(由第一传感器检测)或润滑油温度(由第二传感器检测)超过了预定超温阈值，则控制器作用以减少超量的函数的励磁控制信号。控制器在冷却剂或润滑油的温度(较热的一个)从前述阈值上升到一超过阈值一预定增量(例如约10°F)时，逐步将与油门相关的控制信号值从正常值的100%减少到零。因此，当过热程度在这个限制范围内增加时，牵引交流发电机的输出功率将减少到零。发生降值的超温阈值预置于第一级(例如约225°F)上。
控制器包括当机车运行在隧道内的一段铁轨上时能自动检测的装置。该隧道探测器由冷却剂温度传感器和润滑油温度传感器两者提供数据，如果冷却剂温度超过了一个预定的值(例如大约215°F)，同时也比由润滑油温度所决定的一个可变基准值高时，探测器就指示出机车是在一个隧道中。在本发明一个具体实施例中，基准值定为等于实际的润滑油温度。当机车进入隧道后，大约两分钟内冷却剂温度便上升到这个值。一旦隧道探测器指示出机车在隧道中，控制器就把前述超温阈值移到第二级(例如大约235°F)，该值要比发生正常降值的第一预置级更高。因此，当机车暂时处在一个隧道中使牵引功率降低之前，允许发动机达到一个比在隧道外更高的实际温度。
本发明的各种目的和优点，将从下面结合附图的说明中得到更全面的了解。
图1是一个机车动力系统组成部分的原理示意图-包括一个热发动机(如柴油机)，一个牵引交流发电机，多个牵引电动机和一个控制器;
图2是机车发动机和为机车提供燃气，润滑油和冷却水相应支持系统的简化示意图;
图3是对图1中以一个方块表示的控制器的展开方块图，该控制器分别产生控制发动机转速、交流发电机激励磁场和向某些辅助电负载供电的各种输出信号;
图4是一个“等效电路”图，用来说明图3所示控制器产生交流发电机磁场激励控制信号的方式;
图5是另一个“等效电路”图，用来说明图4中一个方块所示的降值功能;
图6是一个用来解释图5中隧道探测器功能最佳实施例的操作流程图;
图7是一个功率对温度的曲线图，以说明正常和在隧道中两种情况下因超温而降值的情况;
图8是一个“等效电路”图，用来说明图3中的控制器的另一特征。
图1所示的驱动系统包括一机械地连到一机电装置12转子上的。变速发动机11，机电装置12包括一个三相交流同步发电机，也可称为主牵引交流发电机。由主交流发电机12产生的三相电压被加到双路不受控制的电源桥式整流器13的至少一组三相交流输入端。桥式整流器13输出的整流电功率通过直流汇流排14加到多个直流牵引电动机并联的转子绕组，在图1中只标出(15，16)两个。实际上，牵引电动机是悬挂在机车的每个轴上的，通常每节货车有二三根轴，而每列机车有两节货车(truck)。在机车处于驱动或推进运行方式期间，电动机的磁场绕组(没标出)分别与各自的转子串联连接。换句话说，也可用交流牵引电动机，在这种情况下，适当被控的电源变换器连接在各自的电动机和直流汇流排14之间。
为了供电，主交流发电机12的转子磁场绕组(没标出)连接到一适当调节后的激励电流源17的输出上。电源17最好包括一个受控三相桥式整流器，该桥式整流器的输入端接收发动机驱动的辅助交流发电机18的交流电压，该辅助交流发电机也象主交流发电机12的结构一样包括一组辅助三相绕组。这个源包括用来改变直流电流幅度的常规装置，必要时，该直流电流加到交流发电机的磁场以使输入线19上的控制信号和代表电源整流器13输出电压平均幅度的反馈信号V之间的任何幅度差减至最小，后者的电压幅度是磁场电流幅度的一个已知函数，而且也随发动机11的速度不同而变。
发动机是一个热机或内燃机或类似的动力机。在一个自推进柴油-发电机机车中，动力一般是由一个高马力的涡轮增压4冲程16缸柴油机提供的。这样一种发动机有大量的辅助系统(这些系统在图1中由带标记的方块表示)。一个燃气系统21，惯常包括一个发动机排气-驱动涡轮增压器，用于压缩在发动机的燃气进气总管内的空气。一个润滑油系统22，一般包括一个发动机曲轴驱动泵和对发动机的各种运动部件提供合适的润滑油的相应的管道系统。冷却水系统23一般包括一个泵，用来把来自各个气冷式热交换器或散热器中较冷的水循环到润滑油冷却器和发动机的汽缸套，以吸收在燃烧过程中排出的热量，同时还循环到经涡轮增压器压缩过的(因此而变热)燃气通过的“中间冷却器”。这三个系统(21-23)在图2中表示得更详细，很快将加以说明。
柴油机燃油系统24一般包括一个油箱，油泵和用于分别把燃油喷入各自动力汽缸的喷嘴，这些汽缸成两排或两组相对置于发动机两面。挺杆与一对偏心轮轴上的燃油凸轮协同操作，使各个喷嘴在曲轴每转一周期间的相应适当时间启动，系统还包括一对油泵架，用来控制每次流入与已启动喷嘴相应汽缸的油量。每个油泵架的位置也就是加到发动机的油量是通过一个发动机速度调节系统25的输出活塞来控制的，该系统是与两个油泵架连接的。调速器在预定的范围内在一个方向上以一定的量自动地移动油泵架来调节发动机速度，以使实际的与理想的发动机曲轴速度之差为最小。理想速度是由来自控制器26的一个可变速度控制信号设置的，该信号在这里称作为速度指令信号或速度要求信号。
就正常的开动或推进运行方式而言，由控制器26提供的发动机速度要求信号的值是通过手动操纵油门手柄27的位置来决定的，而油门是与控制器连接的。机车油门一般有8个功率位置或称“档”(N)，加上怠速和停车位置。N1对应于一个最小的理想发动机速度(功率)，而N8对应最高速和满功率。当包含有两辆或更多机车时，通常只管理领头的一辆，在后面拖挂的列车超过28时，后面每辆车操纵台上的控制器将收到一个编码信号，该信号指出了领头一辆的驾驶员所选择的油门位置。
正如前面已说明的，对发动机的每个功率级有一个对应的期望负载。控制器26适于把油门档信息转换成在交流发电机磁场调节器17的输入线19上的适度的控制信号，从而只要交流发电机的输出电压和负载电流两者均在预定的限度之内，就可把牵引功率调整到与发动机的有效功率相匹配。为此目的，也为了降值(即发动机卸载)和/或在某些异常情况的事件中限制发动机速度，给控制器26提供有关各种工作状态的信息和驱动系统包括发动机及其支持系统的参数是必需的。
更具体地讲，控制器26一般接收电压反馈信号V(代表整流后交流发电机输出电压的平均值)，电流反馈信号I1，I2等等(分别代表各个牵引电动机转子绕组中的电流大小)，和一个由调速系统25发出的负载控制信号-如果发动机不能发出所需功率并仍旧保持在所要求的速度时发出该信号(即发出有效负载控制信号去减小线19上的控制信号，为的是减弱交流发电机的磁场直到达到一个新的平衡点为止)。此外，如图1所示，控制器上还加有一个发动机速度信号RPM-指示发动机曲轴的转速，一个来自大气压力传感器29的周围大气压力信号BP，一个来自与发动机空气进口总管有关的压力传感器的燃气压力信号MP，一个来自装于润滑油冷却器热油侧的温度传感器的油温信号LOT，和一个来自装在冷却水系统23热水部分的温度传感器的水温信号EWT。为响应水温信号，控制器把编码的速度控制信号通过一线串联数据传输装置或总线30送到散热器风扇电动机，这些电动机是辅助负载装置31的一部分，为了供电，通过了根导线32连到一个适用的交流电源(例如，由发动机驱动的辅助交流发电机18)，从而将流过散热器热交换管的空气流作为水温的一个函数控制，以便在发动机整个负载范围和环境温度变化较大时能使发动机的运行温度维持相对恒定。图2更详细地示出了冷却水和燃气系统。
在图2中，柴油机由方块34表示，在发动机的一端，对着交流发电机端部，燃气系统中的涡轮增压器装于发动机机座上。涡轮增压器包括一个气轮机35，其输出轴驱动一个离心式空气压缩机36。清洁空气被集中到一个压力通风系统中，通过一排空气过滤器37送到压缩机36的中央进气口，交替地通过在发动机相对两侧上的外部排气口排出(在高压和高温下)。从每个排气口排出的压缩空气通过一个相应的气-水热交换器(通常称二者为中间冷却器或二次冷却器)并进入燃气总管。图2只示出了靠近发动机一侧的一个空气冷却器38和一个进气总管39，没有示出一般安排在较远一侧的另一个相同的冷却器和另一个总管。总管压力传感器40接到进气总管39。来自总管39的加压空气被送到在发动机相同侧的一组动力汽缸。在图中只示出了三个汽缸41，42和43。实际上每个进气总管要将燃气供给16缸发动机的8个汽缸，或12缸发动机中的6个汽缸，或8缸发动机的4个汽缸。
在燃烧期间每个汽缸产生的气体进入一排气总管45。在通过排气管46排到大气之前，该排出的气体驱动涡轮机35。当发动机产生更大功率时，涡轮机的速度增加。随着发动机运行在满功率或接近满功率时，压缩机36有效地压缩进气总管39中的燃气，使其达到高于两倍的大气压。然后由二次冷却器38有效地降低压缩空气的温度(在压缩过程中，空气明显地变热)，从而改善了热效率，减少了油耗和降低了发动机的热负载。
图2所示的润滑油系统中，来自靠近发动机34底部曲轴箱的热发动机润滑油，由一发动机驱动的泵48抽入管道49，该管道连接到一个油-水热交换器50的入口，被冷却了的油从50通过一个滤油器51和另一根管道流入供油箱(未示出)。为了润滑和/或冷却起见，来自供油箱(在发动机主机座内)的油被分配到各个轴承，阀门，活塞，齿轮和发动机的其它运动部件。一个普通减压阀52将润滑油管49连接到油槽，一个温度敏感元件53置于管道49中靠近油冷却器50的入口部分的油流中。该润滑油温度传感器53最好包括一个普通的热敏电阻。
正如图2所表明的，发动机冷却水系统包括一个贮水箱55，从贮水箱出来的相对较冷的水通过置于油冷却器50内的热交换管到达一个由发动机驱动的水泵56的进水侧。然后由泵增压的水流入一对装于发动机相对两侧上的进水箱。第一进水箱57的水同时通过装于靠近发动机一侧的汽缸组的各个汽缸套，到达一个公用的排水管58-该排水管设置在两个汽缸组上面的中间。进水管57和排水管58还通过支水管路至相连接，支水管路包括管道59和第一燃气冷却器38的外壳。一个类似的支水管路使冷却水从第二进水管通过装于发动机另一侧的二次冷却器(没示出)流出。应用水压原理，此系统是平衡的，因此，流到两个二次冷却器的流量对两个汽缸套的流量之比是期望的比例。
热水从推水管58离开发动机，通过管道60流到至少一个恒温控制的双稳态液压阀61。一个温度敏感元件62(最好是另一个热敏电阻)置于管道60靠近阀门61入口处的水流中。阀门61有两个输出口，分别与两个水管63和64连通。当进入阀门的水的温度低于预定的阈值或水压低于预定的值时(即，当发动机速度低到致使水泵56不能使水压上升到该值)，则所有的水被转向通过散热器旁通管63流入贮水箱55。否则流入管道64并被送入两个或更多个水-空气热交换器或散热器65和66中的一组，在这些散热器中水被冷却后排入水箱55。实际上，还有一组与图中所示组并行配置的附加的散热器(没示出)，连接到第二个恒温控制的双稳态液压阀，其阈值温度与第一阀门61可以稍有不同。散热器被置于比贮水箱55较高处，在每个冷却周期后，水将迅速而完全地从中排出。此处应注意到如果当散热器65，66由于水压不足而被旁通(这是由于发动机运行在低速，例如400rpm)，则水在通过二次冷却器38时被冷却，这是因为当涡轮增压器速度低(当发动机在转负载时确实如此)时，燃气仅被压缩中等程度，故比水更冷。这种冷却效果，加上从发动机和与之有关的冷却水和润滑油系统的幅射和对流散热而直接排除的热量，使发动机在低速下免于过热。
冷空气由一对凤扇吹过散热器，风扇的叶片分别由两个可变速三相感应电动机驱动。由一对3速电动机驱动系统68和69输出的交流电压分别加到这些风扇电动机上。两个驱动系统的输入都连到线32，线32与一发动机驱动的辅助交流发电机的输出相联，因而所加电压的基频(由此风扇为全速)会随发动机速度而变。驱动系统68和69的每个结构和布置适于在指令控制下，减少该频率以使有关的风扇能低于全速运行。各个驱动系统独立的速度指令是由控制器26(图1)通过总线30，以适当的编码信号的形式提供的，这些信号表示了所期望的全速，减速或零速。每个风扇电动机驱动系统最好包括一个改进型的“循环-跳跃”(cycle-skipping)速度控制系统，即在美国专利第4，461，985号(该专利于1984年7月24日授予T.D.Stitt并已转让给通用电气公司)中所揭示和要求保护的，其控制是使所提供替换全速的1/2和1/4速度按程序选择。
虽然图2所示的上述发动机冷却系统采用水作冷却剂的增压型干燥散热器。本技术领域：
中的专业人员懂得也可选择其它类型和其它的液体的散热器。在任何场合，冷却系统所吸收的大部分(热量几乎占总热量的80%)是由发动机直接传给冷却剂的，而剩余热量是先传给润滑油，然后通过油冷却器50再传给冷却剂。两个散热器风扇电动机的速度是作为冷却剂温度(正如传感器62所检测到的值)的一个函数而作适当变化的，以便在大多数情况下，把这个温度维持在大约180至200°F的正常范围内。
在本发明最佳实施例中，控制器26包括一个微计算机。本领域的技术人员会懂得一台微计算机实际上是由大批商业上可得的元件和相应的电气线路和部件组成的一个系统，它可以按编制好的程序去执行人们所期望的多种功能。在一个如图3所示的典型微计算机中，一个中央处理单元(CPU)执行存储在一个(可抹除的)电可编程只读存储器(EPROM)上的操作程序，该存储器也可存储程序中所用的表格和数据。CPU中包含有一般的计数器，寄存器，累加器，触发器(标志)等等，以及一个用来提供高频时钟的高精度振荡器。微计算机还包括一个随机存取存储器(RAM)-暂时存储输入其内的数据，也可从由存储在EPROM中的程序所确定的各个地址单元中读出数据。这些组成部分通过相应的地址，数据和控制总线相互联接。在本发明的一个实施例中，采用了英特尔(Intel)8086微处理器。
图3中所示的其它方块，代表了一般的外围和接口部件，这些部件把微计算机和图1中的外部电路相互连接。更具体地讲，标有“I/O”的方块是一个输入/输出电路，用来把下列数据和信号传送到微计算机代表所选油门位置的数据，和代表各种电压，电流，速度，压力及与机车驱动系统相关的温度传感器读数的数字信号。后者信号是从一个模-数变换器71引出的，该变换器通过一个普通的多路转接器72连到多个信号调节器，而各个传感器的输出分别加到这些调节器上。信号调节器通常对模拟传感器的输出信号起到缓冲和偏置(biasing)双重作用。正如图3所示，输入/输出电路也把微计算机同辅助负载控制(通过多总线30)，发动机速度调整器，和一个数-模信号变换器73相互连接，该变换器的输出通过线19连接到交流发电机磁场调节器。
控制器26是按编制的程序在线19上产生一个控制信号，该信号的幅度通常取决于机车驾驶员所选择的油门位置。其完成的方式功能性地示于图4，并将给予简要说明。控制器从列车控制线28(图1)收到的油门位置数据被加到一个“译码器”功能块87，该译码器把此数据在两个输出通道88和89上转换成相应的二进制数字，在第一通道88上的数字对应最佳的功率量，该功率是一个某机车的发动机11在油门27所定的任一发动机速度上，每个动力轴上所能产生的功率，而第二通道89上的数字对同一机车和同一油门位置规定了牵引交流发电机12的标称电压(和电流)极限。按照传统的做法，在通道89上公共的电压和电流极限与8个分立的油门位置不是成比例地变化的。实际上，它们是预定的，以使当油门手柄从档1上升到档2时正对应牵引力的最大允许增量，而从档7变到档8时，所得到的增量最小。这将有助于更好地控制在机车从静止到加速时车轮的打滑。
来自译码器功能块87的与油门位置相关的数据分别经通道88和89加到一个降值功能块90，该功能块根据已编程序处理上述数据，已编程序响应来自其它源的附加数据。附加数据包括来自温度传感器53(图2)的润滑油温度指示信号LOT;来自温度传感器62(图2)的发动机冷却水温度指示信号EWT;从发动机速度调整系统25引出的负载控制信号LCS(通常LCS按每个单元算都有一个值，但一旦为了使发动机保持所要求的速度而必需减小牵引功率时，这个值也将减小);从辅助负载设备31(图1)的控制部分引出的用于机车辅助负载实际使用的每根轴功率值的“AUX HP”数据;和如图4中由方块91标记“其它”所表示的来自其它所选输入端的相应数据，有关降值功能块90，更详细地示于即将说明的图5中。
正如图4所示，降值功能块有第一和第二两个输出通道，分别标有“PWR”和“V& I”。一个代表机车主牵引交流发电机在每根动力轴上所要求输出功率(KVA)的数据被加到第一通道，一个代表所要求的电压(和电流)极限数被加到第二通道。在正常运行情况下，并假定辅助功率方面没有变化，则这些数据分别跟踪译码器输出通道88和89上的数据。但在响应由信号LOT，EWT和LCS的值和其它输入端提供的数据所指出的某些暂时异常情况时，降值功能块90调整与油门位置相关的数据，并请求减少牵引功率值和请求一个较低的电压和电流极限值。
来自降值功能块90的请求数据被分别加到比率极限功能块93的两路，在该功能块中，根据已编程序对上述数据进行处理，已编程序响应来自其它源的附加数据。附加数据包括发动机速度信号RPM;来自接在发动机空气进口总管39(图2)的压力传感器40的燃气压力指示信号MP;来自大气压力传感器29(图1)的周围大气压力信号BP;和从发动机调速器或燃油系统引出的“燃油架”数据，以指示油泵架的位移，由此得出实际加到发动机的油量。“比率极限”功能块93有第一和第二两个输出通道一分别标有“PWR”和“V& I”。一个代表每根轴牵引功率参考值的数被加到第一通道，一个代表公共电压和电流极限参考值的数被加到第二通道。在稳定状态下，这些参考数据分别与降值功能块90相应输出通道上的所请求的数据是相同的，但如果发生请求数据有一级变化的情况，比率极限功能块93就防止参考数据比所要求的最大比率变化还快。在参考功率情况下，一旦请求更大功率时它就起一个另外的作用，即作为发动机速度和功率的函数去控制该变化率。
正如图4中所见，在比率极限功能块93输出通道上的参考值被分别加到标有“减少车轮打滑，参考极限，和误差补偿”的方块95的第一和第二输入端。该方块也从其它源接收另外数据，这些数据包括为指示制止车轮打滑状态要求小或中等程度降功率的“车轮打滑”数据，从而恢复车轮-铁轨之间的附着力;“电压最大”和“电流最大”数据，用来分别为交流发电机输出电压和电流规定一个绝对的最大极限;和取决于油门位置和机车和其控制部分的其它参数的“增量”数据，还接收来自信号处理器96的两个输出信号IAV和IMAX和代表整流后的交流发电机输出电压平均值的电压反馈信号V，处理器96接收牵引电动机转子电流反馈信号I1，I2等;它的构成和安排是使IMAX的值是由最大幅度的输入信号确定的，而IAV的值对应于所有牵引电动机电流的平均值。
方块95是多功能的。在执行交流发电机励磁控制程序的过程中，一旦测到车轮打滑状态，方块95的第一和第二输入端的参考值被更改或减小。PWR参考输入也被改为机车各种牵引电动机中任何明显的功率不平衡的一个函数，以便提供一个理想的牵引功率值，(当必须纠正这种不平衡时，该值与这个输入是不同的)。公共V& I参考输入用于提供独立的电压和电流参考值，这些参考值随V& I输入一起变化，但分别具有由“电压最大”和“电流最大”输入所规定的不同的最大极限值。
就执行方块95中其它的程序而言，极限电流参考值与实际的最大电流信号值IMAX进行比较，获得等于它们差值的电流误差值，极限电压参考值与交流发电机电压反馈信号V的实际值进行比较，获得一个等于它们差值的电压误差值，期望功率值与加有最大负载的牵引电动机的实际KVA相比较(由IMAX乘以V得出)，以获得一个等于它们差值的功率误差值。这三个误差值按照已编制的补偿程序进行处理，以获得分别代表功率，电压和电流误差值的功率，电压和电流控制值。补偿程序引进了与由“增量”数据确定的各个增量成比例的正整数传递函数。因止每个控制值和与其有关的误差值时间积分的一个函数成比例。这三个控制值都加到多功能块95中的一个最小值门电路。从最小值门电路引出一个输出信号Vc，Vc的值对应于最小控制值。
Vc的值决定了由控制器26经过线19加到交流发电机磁场调节器17(图1)的模拟控制信号的幅度。当必须使电压反馈信号V的值和输出信号Vc的值之间的差值减到最小时，磁场调节器将通过改变交流发电机的磁场强度响应该模拟控制信号。只要V和IMAX两值均在输入到方块95的公共V& I参考信号所设定的极限之内和不高于由“最大电压”和“最大电流”所规定的各自的最大极限值，则Vc的值将由比电压或电流控制值小的功率控制值确定。因此，交流发电机的输出电压被保持在使实际的和期望的牵引功率之间的误差基本为零的电平。但是，如果V(或IMAX)趋于超过其极限基准值的话，则迫使电压(或电流)控制值低于功率控制值，因此Vc值也下降，从而交流发电机的电压被调整到使V(或IMAX)和电压(或电流)的极限参考值之间误差为零的任何电平上。
如上简述，图4中所描绘的交流发电机励磁控制方案包括了作为降值功能块90的许多步骤或程序中的一步。借助于图5能更好地理介降值功能，图5是一个由微处理机完成降低方块90从译码器87(图4)的输出通道88所接收的请求功率数据的一些步骤的简化说明。图5中，与油门相关的二进制数据沿线98被送到求和点99，在这里减去一个对应于实际辅助功率需求的数(基于每根轴)。求和点99的净输出经过一系列附加步骤(在图5中被省略)的处理，在线100上提供一个二进制数，该数对应于在所选定油门位置上主牵引交流发电机每根轴的标称输出功率。当期望降值而要减少该数时，可乘一个正常时可在1和0之间变化的第二数。
该乘法过程在图5中是由标有“X”符号的方块101示出，该方块有两根输入线100和102及一根输出线103，线103等效于前面提到的降值功能块90的第一输出通道。前述的第二个数，即通过线102加到乘法功能块101的，在此后是指降值信号UND。实际上它是和期望降值是互补的当UND＝1，不存在降值，在输出线103上所要求的牵引功率数据是在线100上由二进制数表示的标称牵引功率的100%;但当UND＝0时，得到100%的降值，所要求的牵引功率为零。
线102上的降值信号UND是来自一个乘法功能块104的输出，而功能块104的两个输入分别包括来自发动机速度调整系统25的负载控制信号LCS和“低值门”功能块105的输出。如前面已指出的，信号LCS在每个单元中有一个为1的固定值，但如果为使发动机保持其被控制的速度而由调速器确定需要降低牵引功率时，则LCS的值只会是1的一个适当的分数。分别加到门105的输入端106和107上的两个值中较小的一个作为其输出。第一个输入106的值为1或0.67(每个单元上的)，它取决于选择“比例因素”方块108的两个预定输出中的哪一个。选择过程是由图5中的一个受控于一个“或”逻辑功能块110的双稳态开关109表示。通常该开关处在左手位置，以使输入106的值为1。换句话说，如果发动机润滑油系统22(由低油压检测器111发出信号)或在冷却水系统23(由一个低水压检测器112发出信号)处于异常低压时，“或”逻辑110就改变开关109的状态，以使第一输入106的值将只是每单元的三分之二即0.67。
起降值作用加到低值门105第二输入107的值是整数或是其分数，取决于比例因素方块108的输出1是直接地还是通过乘法功能块113加到这个输入端，这个选择由图5中受一个“电平检测器”功能块115控制的另一个双稳态开关114表示，而功能块115本身又是响应于润滑油温度信号LOT或发动机水温信号EWT的，它是由敏感的“较高值门”功能块116所确定。假定两个温度信号均没有处在异常高值上，则电平检测器115使开关114保持在右边位置，因此加到门105的输入端107上的值是1。在这种情况下，只要油和水的压力不是异常低，那么门105的输出就为1。结果在线102上的降值信号UND将和负载控制信号LCS相同。但是，如果润滑油温度或发动机水温二者之一上升到超过预定的超温阈值，则电平检测器115将改变状态，将开关114移动到降值位置，以使第二输入端107的值是1与加到乘法器113第二输入线117上的一个数之乘积(虽然在图5中被省略，但如果在机车的空气过滤器37上测到了尘埃的异常积累，则最好执行一个附加步骤，将此积乘以一个预定的百分比以减小这个积)。正象马上要说明的那样，乘法器输入线117上的数将是一个1的分数。结果，只要第一输入端106的数不低于后面(117上的)的数，在线102上的降值信号UND等于线117上的数和LCS值的乘积。
当两个温度信号LOT和EWT中只要有一个升高到等于线118上所预定的极限值时，电平检测功能块115根据已编制的程序改变其降值状态。在大多数运行条件下，在线118上的温度极限值由一个标有“NORM(225)”的正常启动方块120设置在第一电平上。该电平对应于正常超温阈值(例如约225°F)。然而，当机车正在通过一个隧道时就希望并实际可能有一个较高的阈值。在这种场合下，根据本发明的一种方式，不是启动方块120而是启动另一方块121，使线118上的温度极限值增加到对应于约235°F超温阈值的第二电平。该温度比前述的正常阈值约高10°，这两个不同极限值的选择是由“隧道探测器”功能块122来控制的。
根据本发明的另一方式，隧道探测功能块接收作为其输入的温度信号LOT和EWT，每当由EWT的值表明水温超过了预定的正常值(例如约215°F)，而且也高于由润滑油温度所确定的参考值时，它就按已编制的程序自动地把线118上的温度极限值从其预置的正常值移到较高的隧道值。最好，参考值等于润滑油温度。
当机车发动机在隧道外运行并由了速风扇电动机驱动而吹过散热器65，66的空气不是异常热时，冷却水温度(由传感器62检测)通常维持在(在海平面)水的沸点以下的一个预定范围内(例如180-200°F)，润滑油温度(由传感器53检测)约比水温高10°至25°。但是，当列车进入一个较长的隧道时，领头机车的发动机所排出的废气将使机车周围与隧道墙壁和顶板之间有限空间的温度明显上升，吹过列车单元上散热器的空气温度很快接近于这些散热器里的水温。结果，散热器就不能有效地起作用，发动机冷却不充分，水和润滑油都变得更热。在机车的冷却系统中，虽然润滑油只有冷却剂大约一半的比热容量，因此比同等质量的冷却剂能更快地吸收热量，但我们已经发现在隧道中，水温上升速度实际上比润滑油的温度上升得更快。这是由于发动机排到冷却剂中的热量要比排到润滑油中的热量多三到四倍。一旦列车进入隧道，用不了二三分钟，水的温度就增加到它预定的隧道值的约115%，超过了上升得较慢的油温。通常，交叉温度比正常开始降值的超温阈值至少低5°。借助于测出水温已超过由润滑油温度所确定的参考值这个事实，隧道探测器122能准确地指示出机车是在隧道中。
在本发明的最佳实施例中，隧道探测功能是通过编有程序的微计算机执行图6所示的程序来实现的。该程序每分钟重复60次。程序开始于读出和存储信号LOT值的124步，该信号是流出发动机润滑油的温度值。接着该步的是类似的读出和存储信号EWT值的125步，该信号是在冷却系统的“热水”段的发动机冷却剂温度的测量值。在完成125步后，程序进行到查询点126，以确定所存储的油温是否高于所存水温值，如果回答是肯定的，则选通下一步127，把所存油温装入“较高温”寄存器，反之如果回答是否定的，则通过下一步128，就把所存水温装入同一寄存器。
一旦“较高温”寄存器被装入，则图6的程序即进到另一个查询点129，用以测定该较高温度是否等于或小于一个第一预定值，该值最好在正常温度范围内。当该较高温度等于或小于该值时，129步后立即跟着130步，该步置隧道标志于“假”状态。显然的，在机车通过隧道后，当油或水(无论哪个较热)-冷却到在查询点129确定的第一温度值以下时，130步作用，复位隧道探测器功能块122。紧跟标志设置步130的是第三查询点131。另一方面，如果“高温”超过了预定的第一值，则程序从查询点129直接跳到点131。
第三查询点确定隧道标志是否处在“假”状态。如果回答是否定的，即表明一个隧道已被探测到了，那么这是该程序的最后一步。否则该程序还要进到另一个查询点132，它比较所存水温和所存的油温。只要水不比油热，程序就结束。否则，进入最后一个查询点133，以决定所存的水温是否比第二预定值(例如215°F)更高，该第二值高于正常稳定状态的水温范围，但低于正常开始降值的超温阈值。在点133若回答是否定的，则该程序引出。另一方面，如果所存水温超过了第二预定值，图6中程序的下一步也是最后一步134，是设隧道标志于“真”位置，从而指示出机车处在隧道中。事实上，它将降值功能块90(图5)线118上的温度极限值从其正常的预置值升到更高的第二值的一相对较短时间，此时机车在隧道中。
现在回过头来说明图5，线118上的温度极限值被送到具有两个附加输入线137和138的求和结点136。线137给结点136加一个预定的固定值，该值对应一个最大容许降值温度偏差即增量(例如10°F)。输入线138把门116的输出值(即润滑油温度信号LOT或发动机水温信号EWT中较高的一个值)加到结点136。如图5所示，从线118上的温度极限值与线137上的固定值之和中减去门116的输出值，所得余数被送到一个规范化功能块140，在该功能块中被线137上的预定固定值相除。功能块140的规范化输出被送到乘法功能块113的第二输入线117。一旦温度信号LOT和EWT中较高的一个(因此是线138上的值)增加到超出线118上所选择的温度极限值而开始超温-响应降值功能时，则线117上的，因而也是加到低值门105的第二输入端107上的数将是一个小于1的数，即是一个1的分数。当线138上的值从所选择的极限值增加到超过一个线137上预定的固定值时，则这个分数从1减到零。这也引起线102上降值信号UND相应地减小(假定LCS＝1)，因此，线103上的功率要求数据从标称牵引功率的100%逐步地减小至零。由此得到的降值示于图7中。
正如图7所示，当水温或油温上升到高于预定的第一(即正常)超温阈值(225°F)时，降值便开始有效，并当温度继续增高时，就开始进行一系列越来越有效的步骤。实际上，对每一级温度增量均有一个有效的步骤，每一步能使功率要求减少其标称值的10%。如果当温度超过正常超温阈值一个前述的预定增量(例如10°F)时，则获得全部的降值(牵引功率为零)。在去除全部牵引功率后，如果温度继续增加而达到预定的高值(例如240°F)，则无论油门位置如何，发动机被自动地控制到怠速运行状态。
图7还表明在探测到隧道后，便抑制(或说延迟)正常的降值一直到冷却水温度或润滑油温度达到第二个超温阈值(例如235°F)。如果由相同的增量使温度达到一个更高的值而超过了隧道阈值，一旦开始产生如前所述的隧道方式的降值，就能获得全部的降值(零牵引功率)。如果高温甚至继续上升到一个更高的超温值(例如250°F)，发动机速度指令被减小到它的怠速值。在隧值中，由于自动地增大开始超温降值的阈值，使机车能以全部牵引功率运行更长的距离，从而改进了它的性能。即使多加了一分钟的满功率也是有利的。只要机车所在的隧道不是太长，由此产生的发动机和其它驱动系统的部件高温，在其短时额定值内，从安全性考虑是允许的。最好降值功能包括(没示出)根据在隧道阈值以上的高温维持时间大于一个预定的时间周期(例如10分钟)时，用来取消隧道降值运行方式，而恢复到正常降值的装置。
控制器26(图1和图3)适于利用编制的程序在提供给调速器系统25的发动机速度控制信号上施加某些温度-响应的抑制或限制。在正常推进状态下，该控制信号的值是随机车驾驶员所选择的发动机速度(正如由控制器从列车控制线28上接收的油门位置信号所指示的)而变。但如果润滑油或冷却剂(分别由信号LOT和EWT所指出的)二者之一的温度上升到正常降值后的最初提到的高温值(240°F)以上，或更高的隧道内预定值(250°F)以上，则控制器不管油门手柄27的位置而请求怠速。这种发动机速度限制功能可借助于图8得到更好地理解图8示出输入线76上的油门位置指示信号被送到一个“怠速超越”功能块77。该块的输出即为油门要求数据。正常情况下，油门要求与油门位置信号是相同的，但当油门位置在“怠速”时，线76上的信号通过怠速超越功能块修正，则油门要求信号成为发动机水温指示信号EWT值的一个函数。
正如图8所示，来自怠速超越功能块77的油门要求信号通过一个标有“最小值门”的发出最大脉冲的功能块81被送到一根发动机速度调用线80，在方块81中，该值同两个附加输入进行比较，所以实际的速度命令信号值是与最低输入值相同。门81的附加输入之一是由“最大速度”功能块86提供的，该块又对发动机润滑油温度(LOT)起反应。在正常工作状态下，该输入有一个高值，但，如果LOT指出润滑油比较冷时，该值就降到相当于发动机速度受限制的值。
最小值门81的另一个附加输入是由两个源83和84提供的。正常时，这两个源是无效的，在这种状态，它们向门81提供一个高值输入。但如果源83和84中有一个有效时，该输入的值就下降到相应于怠速时的值。当隧道探测器功能块122指示出机车不是在隧道中(即，图6程序中隧道标志是在“假”状态)和LOT或EWT(无论哪一个)增加到相当于最初提到的高温值(240°F)时，源83就自动地动作。另一方面，当隧道探测器122指示出机车是在隧道中(即隧道标志处在“真”状态)，而且温度达到前述的更高的预定值(250°F)时，第二个源84动作。两个温度信号LOT和EWT的较高值是由“较高值门”功能块85来确定的。源83和84中无论哪一个动作，线80上的速度命令信号就被限制到它的怠速值。
对本发明的最佳实施例已经通过例子作了提示和说明，然而对于本技术领域：
内的专业人员来说无疑地将会作出许多改进。因此最终的权利要求
书旨在包罗所有落入本发明的精神和范围内的这样一些改型。
权利要求
1、一个供装有用冷却剂冷却和润滑油润滑的船用热发动机的机车用隧道探测器，其特征在于它包括
a.冷却剂温度的感应装置，
b.润滑油温度的感应装置，和
c.与所述温度感应装置相联并用于当感应到的冷却剂温度高于正常值并高于一由感应润滑油温度确定的可变参考电平时自动指示机车位于隧道内的装置。
2、权利要求
1的隧道探测器，其中所述参考值等于实际润滑油温度。
3、权利要求
1的机车用隧道探测器，其中发动机冷却剂通过润滑油冷却器和通过多个可变速风扇吹出的空气穿过的散热器循环，所述风扇受适当地控制，以使冷却剂保持在一个预定的正常温度范围内。
4、权利要求
3的机车用隧道探测器中，所述机车发动机冷却剂预定的正常温度范围为180°至200°F左右。
5、权利要求
3的机车用隧道探测器，其中机车的发动机为柴油机。
6、一具有一推进系统的机车，包括一个由冷却剂冷却和润滑油润滑的热发动机，由发动机机械驱动的发电装置，多个由发电装置供电的牵引电动机，一个提供可变激励控制信号的控制器;和响应调节发电装置输出功率的控制信号值的可控激励装置，所述控制器包括一个降值功能元件，该元件在发动机过热时起降低控制信号值的作用，从而降低发电装置的输出功率，其特征在于其改进包括
a.感应冷却剂温度的第一装置，
b.感应润滑油温度的第二装置，
c.与控制器有关，并连接到所述第一和第二装置，用来在感应到的冷却剂温度高于正常值并高于由测得的润滑油温度所确定的可变参考值时自动地指示机车处在隧道内的第三装置，
d.响应机车处在隧道内的指示、用于增加在降值作用变为有效时的超温阈值的第四装置。
7、权利要求
6中所述的机车的改进;其中所述降值作用一旦有效时，将逐步地降低作为过热温度级一个函数的控制信号值。
8、权利要求
6中所述的改进，其中所述降值发生作用于冷却剂或润滑油的温度有一个较高而达到等于第一预置级的超温阈值时，同时所述第四装置将超温阈值提高到更高的第二预置级。
9、权利要求
8中所述的改进，其中所述第一级大约为225°F，所述第二级大约为235°F。
10、权利要求
8中所述的改进，其中所述降值作用一旦有效，即逐步降低作为发动机过热级的一个函数控制信号值。
11、权利要求
6中所述的机车改进，包括根据一个由控制器提供的可变指令信号而调节发动机运行速度的装置，该控制器安排成使速度指令信号值通常是由相关的油门装置(该装置除可设置一个怠速档外，还可设置多个功率档)来确定，但是不论冷却剂还是润滑油温度达到一个预定的高超温值时就自动地被限制到一个对应于怠速的值，其进一步的改进包括第五装置，该装置与控制器有关，并对“机车是在隧道中”的指示起反应，以便在速度指令信号被限制到它的怠速值之前，增加冷却剂或润滑油的超温值。
专利摘要
一个柴油——发电机机车的推动控制系统，包括分别响应机车发动机冷却液和润滑油温度的装置，以便当冷却液温度超过一个异常高值，而且高于(取决于润滑油温度的)可变参考值时，便自动地指示出机车在隧道中。当探测出隧道时，该推动控制系统的常规超温——响应降值功能就被暂时抑制直到冷却剂温度上升到一个更高阈值为止——该值高于预置的在通常情况下开始降值的超温阈值。
文档编号G05D23/20GK86101126SQ86101126
公开日1986年10月22日 申请日期1986年2月20日
发明者查尔斯·厄尔·库珀, 格伦·埃尔顿·维斯特 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan