CN103827468B - 用于诊断发动机的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于诊断发动机的***和方法。可以根据利用来自操作地连接到发动机的发电机的信号所估算的发动机的燃烧转矩曲线和/或与发动机相关联的其它信息来诊断发动机的状况。根据在估算的燃烧转矩曲线中的识别特征可以区分不同类型的退化。因此，能够以减少由维修引起的延迟的方式识别退化的发动机部件。

Description

用于诊断发动机的***和方法
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
本发明公开的主题的实施例涉及用于诊断发动机的***和方法。
背景技术
发动机各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导致启动不点火(start 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
在一个实施例中，公开了一种用于往复式发动机的方法，该发动机操作地连接到发电机。该方法包括：通过比较发动机的估算的燃烧转矩曲线(torque profile)与期望的发动机转矩曲线，诊断发动机的状况。
其中，所估算的发动机的燃烧转矩曲线来源于发电机的电磁转矩和往复式发动机的惯量转矩。
其中，所述电磁转矩来源于与所述发电机相关联的至少一个电气参数。
其中，所述至少一个电气参数包括直流链电压、直流链电流、发电机励磁电压、发电机励磁电流、发电机输出电压和发电机输出电流中的至少一个。
其中，所述惯量转矩来源于所述往复式发动机的转动轴速度。
在一个实施例中，公开了一种用于往复式发动机的方法，该发动机操作地连接到发电机。该方法包括：通过比较发动机的估算的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线，诊断发动机的缸内压力曲线。
其中，所估算的发动机的燃烧转矩曲线来源于发电机的电磁转矩曲线和往复式发动机的惯量转矩曲线。
其中，所述电磁转矩曲线来源于与所述发电机相关联的至少一个电气参数。
其中，所述至少一个电气参数包括直流链电压、直流链电流、发电机励磁电压、发电机励磁电流、发电机输出电压和发电机输出电流中的至少一个。
其中，所述惯量转矩曲线来源于所述往复式发动机的转动轴速度。
在一个实施例中，公开了一种车辆***。该车辆***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电气参数；用于测量发动机的转动轴的速度的传感器；以及控制器。控制器包括指令，这些指令被构造成用以：采样所述至少一个电气参数并且将所述至少一个电气参数转换为电磁转矩曲线；采样转动轴速度并且将转动轴速度转换为惯量转矩曲线；以及从电磁转矩曲线和惯量转矩曲线估算发动机的燃烧转矩曲线。
所述的车辆***还包括：通过比较所述发动机的估算的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线，诊断所述发动机的状况。
其中，所述控制器可操作用以报告退化的发动机的状况。
其中，所述控制器还包括指令，所述指令被构造成用以根据诊断的状况来调节发动机操作参数。
所述的车辆***还包括：通过比较所述发动机的估算的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线，诊断所述发动机的缸内压力曲线。
其中，所述控制器可操作用以报告退化的缸内压力曲线。
其中，所述控制器还包括指令，所述指令被构造成用以根据所述缸内压力曲线来调节发动机操作参数。
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，该控制器可操作用以根据估算的发动机的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线的比较确定与发电机操作地连接的往复式发动机的状况。
所述的测试套件还包括至少一个传感器，以感测与所述发电机相关联的至少一个电磁参数，其中所述控制器可操作用以与所述至少一个传感器通信，以随时间采样所述至少一个电磁参数，并且其中所述控制器还可操作用以从所述至少一个电磁参数估算电磁转矩曲线。
所述的测试套件还包括用以感测所述往复式发动机的转动轴速度的传感器，其中所述控制器可操作用以与所述传感器通信，以随时间采样所述转动轴速度，并且其中所述控制器还可操作用以从所述转动轴速度估算惯量转矩曲线。
其中，所述控制器还可操作用以从电磁转矩曲线和惯量转矩曲线确定所估算的所述发动机的燃烧转矩曲线。
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。
附图说明
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：
图1为车辆***(例如机车***)的示例性实施例的示意图，该车辆***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；
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和牵引马达；
图3为如何从发动机速度和发电机电气参数估算发动机燃烧转矩曲线的示例性实施例的示意图；
图4为如何将发电机电气参数转换为电磁转矩曲线的示例性实施例的示意图；
图5为如何从发动机的转速生成惯量转矩曲线的示例性实施例的示意图；
图6为如何估算发动机燃烧转矩曲线的示例性实施例的示意图；
图7为转矩比较处理如何用来诊断发动机的状况的示例性实施例的示意图；以及
图8为如何生成可以用于发动机诊断的时间域转矩曲线的频谱的示例性实施例的示意图。
具体实施方式
本发明公开的主题的实施例涉及用于诊断发动机的***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)***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(stationary)发动机，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。
此外，本发明所公开的主题的实施例使用发电机数据，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)，以诊断发动机的状况(condition)，并且在状况与相关联的发动机各部件之间进行区分。
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。
图1为车辆***100(例如机车***)的示例性实施例的示意图，该车辆***在本发明中示出为轨道车辆106，该轨道车辆106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***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。
车辆106还包括控制器150，以控制与车辆***100相关联的各种部件。在一个例子中，控制器150包括计算机控制***。在一个实施例中，计算机控制***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(ECU)，控制***可以分布在各个ECU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。
控制器可以监督车辆***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(multi-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 voltage)、发电机励磁电流(field current)、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、节流阀等，控制器可以控制车辆***。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***100中专用于布线的空间，并且保护信号线免于磨损和振动。
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。
控制器可以包括用于识别和记录车辆***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1的问题，第二诊断代码可以表明发动机的气缸2的问题，等等。
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件(input controls)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。
车辆***可以包括连接到控制器的通信***190。在一个实施例中，通信***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***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接收器的信号估算车辆***的地理坐标。作为另一个例子，控制器可以经由从通信***190传递的消息而将发动机的操作特性传递到控制中心。在一个实施例中，当检测到发动机的退化部件且车辆***可以按计划进行维护时，消息可以通过通信***190传递到命令中心。
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210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210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***。
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。
根据多个实施例，控制器150可操作用以例如经由通信***190报告退化的发动机状况。此外，根据多个实施例，控制器包括指令，所述指令被构造成用以根据诊断的状况来调节发动机操作参数。
图3为如何从发动机速度和发电机电气参数估算发动机的燃烧转矩曲线的方法300的示例性实施例的示意图。在步骤310中，通过控制器150(例如经由速度传感器160)采样发动机速度信号。在步骤320中，从发动机速度估算发动机的惯量(inertial)转矩曲线。在步骤330中，通过控制器150(例如经由发电机传感器170)采样发电机的电流和/或电压。在步骤340中，采样的电流和/或电压穿过交流发电机模型。在步骤350中，从交流发电机模型的输出估算发电机的电磁转矩曲线。在步骤360中，通过电磁转矩曲线修改惯量转矩曲线，以产生发动机的燃烧转矩曲线。在步骤370中，将燃烧转矩曲线与基线或期望发动机转矩曲线进行比较。
图4为如何将发电机电气参数转换为电磁转矩曲线的示例性实施例的示意图。直流链电压和发电机励磁电流(例如，由发电机传感器171和172测量的)被进给到交流发电机模型410中，且在控制器150中实施，该控制器包括整流器210的向后模型(backward model)420和发电机120的模型430。根据多个实施例，整流器可以是二极管整流器、相位控制的整流器或脉冲宽度调制(PWM)整流器。根据可选实施例，不采用整流器，交流负荷可以直接连接，或者通过受控的电力电子装置间接地连接，并且向后模型化。
向后模型420从直流链电压估算发电机输出电压。相似地，发电机模型430从励磁电流估算发电机输出电流。发电机输出电流和电压被进给到在控制器150中实施的电磁转矩估算处理440。电磁转矩估算处理440使用发电机输出电压和电流以及发动机速度指示，来估算电磁转矩曲线。发动机的速度指示用来告诉转矩估算模型440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。
因此，与发电机相关联的电磁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与对应的模型一起使用，以从直流链电流估算发电机输出电流和从发电机励磁电压估算发电机输出电压。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)，那么可以旁路(bypassed)向后模型420和发电机模型430。此外，如果能够接受转矩曲线的不太精确的估算，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算转矩曲线。
在一个实施例中，控制器实施惯量转矩估算处理。图5为如何利用控制器150的惯量转矩曲线估算处理510从发动机的转速生成惯量转矩曲线的示例性实施例的示意图。通过随时间采样测得的发动机转速(例如来自速度传感器160)，且在确定的特征频率下从测量的转速获得加速度分量(考虑速度相对于时间的导数)，并且将加速度分量组合以确定惯量转矩曲线，可以从发动机速度估算发动机惯量转矩曲线。
图6为如何估算发动机的燃烧转矩曲线的示例性实施例的示意图。控制器150实施发动机转矩估算处理610，该估算处理针对指定的速度波动利用发动机的惯量转矩曲线补偿发电机的电磁转矩曲线，以在发动机端部处生成准确的燃烧转矩曲线。如图7所示，控制器150实施转矩曲线比较处理710，以将估算的发动机的燃烧转矩曲线与期望的或基线转矩曲线进行比较。在一个实施例中，采用模板匹配(template matching)或信号特征匹配(signature matching)算法来进行比较。与基线转矩曲线的具体偏差可以对应于发动机部件的具体退化(例如发动机的动力组件部件已经出现故障)。根据一个实施例，估算的燃烧转矩曲线表示发动机的缸内压力曲线。因此，方法300能够利用已有的发动机和发电机传感器准确地预测发动机的缸内压力曲线。
根据一个实施例，在执行燃烧转矩估算处理300之前，往复式发动机可以首先被驱动到特定的操作状况、状态或模型。根据另一个实施例，直到发动机在正常操作期间到达确定的操作状况、状态或模型才执行燃烧转矩估算处理300，其中控制器被触发以执行转矩估算处理，接下来将转矩曲线与基线转矩曲线进行比较。
根据多个实施例，控制器150可操作用以例如经由通信***190报告退化的发动机状况。此外，根据多个实施例，控制器包括指令，所述指令被构造成用以根据诊断的状况来调节发动机操作参数。
可以设置有测试套件，该测试套件包括控制器，该控制器可操作用以根据估算的发动机的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线的比较确定与发电机操作地连接的往复式发动机的状况。该测试套件还可以包括至少一个传感器，以感测与发电机相关联的至少一个电磁参数(例如直流链电压和/或发电机励磁电流)。控制器可操作用以与传感器通信，并且随时间采样电磁参数。控制器还可操作用以从电磁参数估算电磁转矩曲线。该测试套件还可以包括用以感测往复式发动机的转动轴速度的传感器。控制器可操作用以与传感器通信，以随时间采样轴速度。控制器还可操作用以从轴速度估算惯量转矩曲线。控制器还可操作用以从电磁转矩曲线和惯量转矩曲线确定估算的发动机的燃烧转矩曲线。
现在提供本发明所述的***和方法的应用的其它例子。这些例子示出了用于根据从发电机参数和发动机转速估算的发动机的燃烧转矩曲线，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。
发动机可以具有以预定顺序(predefined sequence)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。
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。
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)。
在一个实施例中，根据估算的发动机的燃烧转矩曲线与期望的或基线的发动机的转矩曲线的比较，可以检测到四冲程发动机的退化的气缸。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佳的匹配转矩曲线。例如，通过将估算的燃烧转矩曲线的一部分与基线转矩曲线的相同部分进行比较，可以识别一个退化的气缸。然而，多个退化的气缸可能导致燃烧转矩曲线的多个部分中的偏差。另外，多个退化的气缸的点火顺序中的位置可能改变估算的燃烧转矩曲线与基线转矩曲线存在偏差的部分。例如，相位相差180°的两个退化的气缸可以影响与相继点火顺序的两个退化气缸不同的转矩曲线的部分，从而本发明所述的方法可以根据估算的转矩曲线的各种变化识别一个或多个退化的气缸。例如，与正常发动机或不同的退化的发动机部件的基线转矩曲线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***、退化的涡轮增压器和退化的曲柄箱。
在一个实施例中，时间域发电机数据(例如直流链电压和励磁电流)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发动机的第一阶频率。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，时间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，时间域信号可以在大于两倍(greater than twice)的发动机红线频率(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。
图8为如何生成可以用于发动机诊断的时间域转矩曲线的频谱的示例性实施例的示意图。估算的发动机的燃烧转矩曲线(时间域数据)可以被输入到傅立叶变换处理810(例如快速傅立叶变换、FFT处理)或带通滤波处理820，以提取估算的发动机的燃烧转矩曲线的频率域含量。此外，发电机信号(例如直流链电压)和发动机速度信号可以被处理，从而以类似的方式提取频谱。
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，以生成频率域频谱。在一个实施例中，快速傅立叶变换(FFT)可以用来生成频率域频谱。在另一个实施例中，带通滤波处理可以用来生成频率域频谱。频率分析处理将采样的时间域参数变换为频率域中的频谱。频谱的各种频率分量可以包括直流(零阶)、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。
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(signature)。例如，正常(healthy)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。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。
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部增大，可以表明涡轮增压器或曲柄箱排出***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***。
在一个实施例中，燃烧转矩曲线的频谱可以存储在数据库中。在另一个实施例中，基线转矩曲线数据可以存储在数据库中。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***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***190传递的燃烧转矩曲线数据来诊断发动机的状况。例如，命令中心可以接收来自轨道车辆106的估算的发动机的燃烧转矩曲线数据，对转矩曲线数据进行频率变换，以及诊断发动机的可能退化。或者，命令中心可以接收来自轨道车辆106的估算的发动机的燃烧转矩曲线数据并且对估算的数据应用模板匹配算法(进行与基线转矩曲线的比较)，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，历史转矩曲线数据还可以用来评价发动机的正常与否。
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***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，根据估算的转矩曲线与基线转矩曲线的比较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，根据估算的发动机的燃烧转矩曲线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。
通过分析估算的燃烧转矩曲线数据，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***。
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***190传递到命令中心。
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联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，燃料可以停止喷射到一个气缸。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，燃料可以停止注入到气缸组。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。
在一个例子中，可以针对四冲程发动机的每个停用气缸，监测转矩曲线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。
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，在监测估算的转矩曲线的半阶频率分量时，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。
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。
可以例如通过经由例如通信***190发送的消息，发送计划进行维修的请求。另外，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估算的燃烧转矩曲线数据的频谱的一个或多个分量的幅值。
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。
在一个实施例中，测试套件可以用来估算发动机的燃烧转矩曲线以及根据估算的燃烧转矩曲线诊断发动机的状况。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联的发电机数据。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发电机的电磁转矩曲线。控制器还可操作地从由速度传感器测量的发动机速度估算发动机的惯量转矩曲线，以及根据电磁转矩曲线修改惯量转矩曲线，以估算发动机的燃烧转矩曲线。控制器还能够操作以根据估算的燃烧转矩曲线诊断发动机的状况。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)。
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，而不会导致相关联的基本功能的变化。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。
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联的能力、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联的谐波频率(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。
本发明所述的实施例是物品、***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、***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、***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。

Claims (12)

1.一种用于往复式发动机的方法，所述往复式发动机操作地连接到发电机，所述方法包括：
在操作期间测量且采样与所述发电机相关联的至少一个电气参数，并将所述至少一个电气参数转换为电磁转矩曲线；
测量且采样所述往复式发动机的转动轴的速度，并将所述转动轴速度转换为惯量转矩曲线；
从所述电磁转矩曲线和所述惯量转矩曲线估算往复式发动机的燃烧转矩曲线；以及
通过比较所述往复式发动机的估算的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线，诊断所述往复式发动机的缸内压力曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个电气参数包括直流链电压、直流链电流、发电机励磁电压、发电机励磁电流、发电机输出电压和发电机输出电流中的至少一个。
3.一种车辆***，其包括：
发动机；
发电机，所述发电机可操作地连接到所述发动机；
至少一个传感器，所述至少一个传感器用于在操作期间测量与所述发电机相关联的至少一个电气参数；
用于测量所述发动机的转动轴的速度的传感器；以及
控制器，所述控制器包括指令，所述指令被构造成用以：
采样所述至少一个电气参数，并且将所述至少一个电气参数转换为电磁转矩曲线；
采样所述转动轴速度，并且将所述转动轴速度转换为惯量转矩曲线；以及
从所述电磁转矩曲线和所述惯量转矩曲线估算发动机的燃烧转矩曲线。
4.根据权利要求3所述的车辆***，其还包括：通过比较所述发动机的估算的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线，诊断所述发动机的状况。
5.根据权利要求4所述的车辆***，其中所述控制器可操作用以报告退化的发动机的状况。
6.根据权利要求4所述的车辆***，其中所述控制器还包括指令，所述指令被构造成用以根据诊断的状况来调节发动机操作参数。
7.根据权利要求4所述的车辆***，其还包括：通过比较所述发动机的估算的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线，诊断所述发动机的缸内压力曲线。
8.根据权利要求7所述的车辆***，其中所述控制器可操作用以报告退化的缸内压力曲线。
9.根据权利要求7所述的车辆***，其中所述控制器还包括指令，所述指令被构造成用以根据所述缸内压力曲线来调节发动机操作参数。
10.一种测试套件，其包括：
控制器，所述控制器可操作用以根据估算的发动机的燃烧转矩曲线与期望的发动机转矩曲线的比较确定与发电机操作地连接的往复式发动机的状况；
至少一个传感器，以感测与所述发电机相关联的至少一个电磁参数，其中所述控制器可操作用以与所述至少一个传感器通信，以随时间采样所述至少一个电磁参数，并且其中所述控制器还可操作用以从所述至少一个电磁参数估算电磁转矩曲线。
11.根据权利要求10所述的测试套件，其还包括用以感测所述往复式发动机的转动轴速度的传感器，其中所述控制器可操作用以与所述传感器通信，以随时间采样所述转动轴速度，并且其中所述控制器还可操作用以从所述转动轴速度估算惯量转矩曲线。
12.根据权利要求11所述的测试套件，其中所述控制器还可操作用以从电磁转矩曲线和惯量转矩曲线确定所估算的所述发动机的燃烧转矩曲线。
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