CN100443708C - 自动检测和避免发动机上的涡轮增压器喘振的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于检测和响应包含涡轮增压器和柴油发动机的机车发动机系统中的喘振事件的装置和方法。该装置包括：传感器，用于检测该涡轮增压器或发动机的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号。发动机控制系统响应该传感器信号，以控制柴油发动机系统的多个操作控制。当该传感器信号表明发生喘振事件时，所述发动机控制系统修改该柴油发动机系统的一个或多个操作控制。本发明还提供一种用于检测和控制机车发动机系统的喘振事件的方法，该系统包括涡轮增压器和可在多个不连续速度下运转的柴油发动机。所述方法包括：感测发动机系统的运转参数，确定表明喘振事件的所感测运转参数的变化，以及响应所确定的变化来控制该发动机系统的操作控制。

Description

自动检测和避免发动机上的涡轮增压器喘振的装置和方法

技术领域

本发明一般涉及柴油电动牵引车，例如配备涡轮增压的柴油发动机系统的机车。更具体地，本发明涉及检测在机车发动机系统运转期间的喘振(surge)事件，并控制该发动机的运转以避免其它喘振事件。

背景技术

在传统的柴油电动机车中，热原动力柴油发动机用于驱动电传输，其包括向多个牵引电动机提供电流的发电机，所述牵引电动机的转子耦合到该机车的轴轮副(axle wheel sets)上。该发电机一般包括主三相牵引交流发电机，其转子机械耦合到柴油发动机的输出轴上。当激励控制向交流发电机的励磁绕组提供激励电流时，在交流发电机的三相电枢绕组中产生交流电压。这些电压经过整流，并在DC牵引电动机的情况下施加到该牵引电动机的电枢绕组上，或者在AC牵引电动机的情况下，在施加到AC电动机之前施加到用于合适的AC转换的逆变器上。

机车单元的操作由控制系统控制。控制信号从该控制系统传递到各发动机，以及控制发动机组件运转以及交流发电机和牵引电动机的电运转的电传输组件/装置。典型的，控制系统从与各发动机和电传输系统组件关联的传感器接收信息，并将该信息用于发动机控制软件，以确定发动机控制需求。

在正常的发动机运转中，控制柴油电动机车的推进系统，以建立平衡的稳态条件，其中对于节流阀的每个不连续位置，发动机驱动的交流发电机都为牵引电动机产生基本恒定的最佳电功率量。为达到最大性能，必须适当控制牵引交流发电机的电功率输出，从而使机车完全利用电功率。为了正确操纵火车，提供中等的功率输出级别，以允许从最小到完全输出的等级。历史上，已设计了机车控制系统，使得操作员或控制系统可以按照0和最大级别之间的不连续步进选择期望级别的牵引功率，从而使发动机产生牵引和辅助负载需要的任何级别的功率。

在容许范围内，通过手动运转的节流阀把手或控制系统来设置期望的发动机速度，从而使节流阀可以以在低功率位置(N1)和最大功率位置(N8)之间的8个步进或“档(notches)”选择性地移动。除了这8个传统的功率档外，节流阀还有一个“空闲”位置和一个“关闭”位置。应注意，一般要控制柴油发动机的运转以建立平衡的稳态条件，其中对于节流阀的每个不连续位置，柴油发动机驱动的交流发电机都为牵引电动机产生基本恒定量的电功率。这样，在运转中，柴油发动机不会对每档设置都改变速度。对于一个单一的发动机速度，交流发电机产生的电功率和向牵引电动机提供的电功率可以通过改变交流发电机激励设置的激励控制来改变。在一般的运转中，对于每个特定的发动机速度，交流发电机都具有几种激励设置，其中每个都具有提供给交流发电机转子的励磁绕组的不同级别的激励电流。每个激励设置改变AC交流发电机在特定发动机速度时产生的AC功率量。该“电传输”允许柴油发动机针对特定的设计、多机车运转(称为“共存”)和运转条件，以最有效的速度和马力运转。

对于每个不同档的速度设置，发动机能产生相应恒定数量的马力(假设最大输出转矩)。例如，在现有技术的机车中，当选择节流阀档8时，实现1050转/分的发动机速度和4500hp的最大总额定马力(hp)。在正常条件下，每档的发动机功率等于由发动机驱动的主交流发电机提供的电推进系统所需的功率，加上确定的电驱动和机械驱动辅助设备所消耗的功率。

当上述机车的节流阀从相对较低档前进到较高功率档时，发动机速度调节器或控制器通过立即增加喷射到发动机气缸中的燃料量来响应，以试图将发动机速度增加到节流阀设置的新速度。同时，节流阀命令激励控制系统增强交流发电机场，从而使发动机上的牵引负载增加到由新节流阀设置确定的任何大小。

为了增加给定大小的机车发动机在不连续速度下可以提供的有用功率的最大量，实践中通常为发动机配备燃烧空气增压器或涡轮增压器。在典型的涡轮增压器中，由发动机废气驱动涡轮。然后该涡轮驱动吸入周围空气、并增加提供给发动机的引入空气的压力的压缩机。这允许更多的燃料在气缸中燃烧，由此该扩大的燃烧结果在每个动力行程期间对活塞施加更大的力。涡轮增压器的主要优点是将柴油发动机的功率输出增加了30-50％。但是，在发动机上添加涡轮增压器也增加了发动机运转及其控制和维护的复杂性。

涡轮增压的柴油发动机的一个普遍的控制问题是涡轮增压器喘振。喘振是在涡轮增压器中使用的那类离心压缩机所展示的一种现象，其中压缩机在低压缩机速度和高推进压力时变得不稳定。涡轮增压器在发动机运转中是不期望的，而且持久的喘振可能引起因为在喘振期间反复发生的大压力颤动而导致的发动机组件的疲劳故障。运转效率也会在喘振期间由于涡轮增压器压缩机的加速和减速而降低。涡轮增压器的压缩机性能通常由压力比对质量流的曲线图来表示。该图表的总体形状由恒定的发动机速度线和压缩机速度线定义，并基于与特定发动机配对的涡轮增压器所测量的性能。在典型的压缩机图中，压缩机图的左边界定义喘振线，其限定涡轮增压器或压缩机的稳定运转界限。如果涡轮增压器的运转导致在作为喘振线左侧的运转点的质量流的压力比，则流向压缩机的气流减少，由此产生经过压缩机的稳定气流的间歇的颤动和中断。这种情况就称为喘振。

涡轮增压器通常为尽可能接近压缩机喘振线运转的特定发动机设计，以获得最大的发动机运转效率。在最初的系统设计中，涡轮增压器喘振通过这样来设计压缩机和发动机结合而避免，即柴油发动机的运转范围不超出喘振线。“喘振边缘”是运转点离喘振线有多远的一种度量。诸如周围条件、系统性能降级或发动机系统内故障的变量可能减小该“喘振边缘”，并带来预料不到和不期望的涡轮增压器喘振。柴油点动机车会遇到大量在机车服务寿命期间降低性能的周围条件和因素。因此，希望具有一种方法和系统来检测和避免在涡轮增压器和发动机运转期间的涡轮增压器喘振。

压缩机喘振可以通过这样来修改发动机的操作而克服，即减小压缩机的压力比，或增加经过压缩机的质量流，由此将该运转位置向下移动和/或移到喘振线的右侧。增加喘振边缘的技术可以包括改变涡轮扩散体特性、利用压缩机放电旁路阀和涡轮废气排放门、用喷射或阀门定时来增加经过气缸的流量、减轻过高的燃烧气温、在周围温度较低的情况下预加热进入的空气、或通过改变涡轮喷嘴来减小涡轮增压器速度(并由此减小压缩机的压力比)。另外，喘振条件可以通过减少交流发电机激励从而减小发动机负载来克服，或者通过增加发动机速度从而由此增加经过涡轮增压器的质量流来克服。对于特定的涡轮增压器和发动机设置，发动机速度的增加通过增加质量空气流和轻微减小压缩机的压力比，而移动运转线远离喘振线(向下和移到右侧)。

其它解决涡轮增压器喘振的方案包括对涡轮增压器和涡轮增压器控制系统的设计修改。但是，这样的设计修改很昂贵，而且在必须经常改变发动机速度、以及车辆加速度是首要考虑的应用中是根本有利的。这样，它们就不是特别适合于涡轮增压的柴油机车发动机应用。另外，这些系统增加了成本和涡轮增压器系统的复杂性，而且无法容易地适应现有的涡轮增压器发动机系统。此外，一些系统，例如排放废气门特别昂贵，因为它们必须设计为在排气系统的苛刻环境中运行。

为了解决涡轮增压器中的异常条件，系统也开发为提供对涡轮增压器运转的诊断。为Wang出版的美国专利6,298,718公开了一种用于诊断异常涡轮增压器压缩机性能的系统。Wang公开了用于根据存储在存储器中的压缩机图表来监控涡轮增压器运转的异常运转，例如喘振或阻塞，的传感器。对升压、周围压力、周围温度、涡轮增压器速度和质量空气流进行数据采样。感测的数据经过合理性测试。如果数据通过合理性测试，则该数据用于根据该压缩机图表，利用多项式关系计算涡轮增压器的运转点。采样数据也用于检测发生在涡轮增压器中的喘振或阻塞循环。Wang公开了压缩机喘振条件可以利用第三阶多项式预测，该第三阶多项式描述了在短时间内，所计算的和所检测到的质量空气流之间的差异改变记号(sign)的次数。换句话说，Wang公开了模拟来回穿过喘振线的压缩机性能的快速通路，或喘振线交叉点的数目可以在特定的时间段内计算出来，从而指明喘振条件的开始。当确定喘振条件时，系统可以向操作员提供警告，或向控制系统提供错误信号，该控制系统然后可以适当改变发动机运转参数。但是，当系统试图根据所计算的图表来预测喘振并试图解析地判定是否发生喘振时，该现有技术的系统限制在这样的应用中。Wang没有直接检测涡轮增压器喘振。这样，喘振实际上可能没有发生。系统运转和环境随着时间的变化不能预测，也没有包含在Wang的解析过程中。此外，该现有技术的系统需要来自大量运行传感器的输入，其中很多传感器没有出现在当前的机车柴油发动机上。

应注意，需要检测涡轮增压器中喘振条件的出现并调整柴油发动机的运转，从而避免进一步的喘振条件。一般来说，现有技术的系统没有提供有效的、对运转的机车柴油发动机系统的运转调整来克服运转中的喘振条件。现有技术的系统没有说明发动机和涡轮增压器系统中随着时间出现的变化，这些变化不能容易地通过前面的设计或多项式建模来说明。在不需要应用或配置特定的修改或调整的情况下，现有技术的系统不能直接用于各种现有发动机和涡轮增压器配置。另外，如上所述，现有技术的解决涡轮增压器喘振的方案没有为柴油机车提供技术上可行的替换。例如，质量空气流和涡轮增压器的速度测量，以及诸如废气门、旁路阀或可变的几何扩散体等硬件产品都很复杂，而且传统上在机车服务的苛刻环境中是不可靠的。

因此，期望能提供一种系统和方法，用于有效的实时检测和避免在柴油机车中的涡轮增压器喘振，由此考虑发动机的适度恢复和最佳性能。

发明内容

本发明提供了一种改进的系统和方法，用于检测和避免机车的柴油发动机中的涡轮增压器喘振。

在一种方式中，本发明是一种用于检测和响应包含涡轮增压器和柴油发动机的机车发动机系统中的喘振事件的装置。传感器检测该涡轮增压器或发动机的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号。发动机控制系统响应该传感器信号，以控制柴油发动机系统的多个操作控制。当传感器信号表明发生喘振事件时，所述发动机控制系统修改该柴油发动机系统的一个或多个操作控制。

在另一方式中，本发明是一种用于检测表示机车发动机系统的涡轮增压器中的喘振事件的运转参数的装置，该机车发动机系统包括柴油发动机和该涡轮增压器，并控制该发动机系统的运转，从而减小涡轮增压器喘振。传感器检测该发动机系统的表示喘振事件的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号。发动机控制系统响应该传感器信号，以控制柴油发动机系统的运转速度。当该发动机系统经历喘振事件时，所述发动机控制系统增加柴油发动机的速度以减小涡轮增压器的喘振。

在另一方式中，本发明是由具有涡轮增压器和柴油发动机的机车发动机系统驱动的机车。该发动机可以在多个不连续的速度下运转。传感器检测该涡轮增压器和/或发动机的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号。发动机控制系统在对应于节流阀的一个档位的不连续速度下控制该柴油发动机的速度。所述发动机控制系统响应该传感器信号，并当传感器信号随着时间的变化表明发生涡轮增压器的喘振事件时，将柴油发动机的速度从该柴油发动机运转的第一不连续速度增加到较高的不连续速度。

在另一方式中，本发明是一种用于检测和响应在由柴油发动机驱动的机车的涡轮增压器中的喘振事件的装置。传感器检测该涡轮增压器或发动机的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号。发动机控制系统对应于节流阀的位置控制该柴油发动机的速度。所述发动机控制系统响应传感器信号，并当该传感器信号表明在所限定的时间段内发生两次喘振事件时，增加柴油发动机的速度。

在另一方式中，本发明是一种包括变速柴油发动机系统的机车推进系统，该变速柴油发动机系统具有燃烧空气进气歧管和排气歧管。燃料控制器向发动机汽缸供应柴油机燃料。涡轮增压器连接到发动机的排气和进气歧管，并具有由发动机废气驱动的涡轮。该涡轮依次驱动压缩机，以向进气歧管供应压缩空气。发动机速度传感器感测发动机速度。电功率传输系统由发动机机械驱动。激励控制器控制发电机系统的功率输出。配备一个传感器，用于感测涡轮增压器或发动机的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号。将一个控制器用于接收所产生的传感器信号，并当该传感器信号随着时间的变化表明发生喘振事件时，将发动机速度从第一不连续速度增加到另一不连续速度一段预定的时间。

在另一方式中，本发明是一种用于检测和控制机车发动机系统的喘振事件的方法，该系统包括涡轮增压器和可在多个不连续速度下运转的柴油发动机。所述方法包括：感测发动机系统的运转参数，并确定表明喘振事件的所感测运转参数的变化。本发明还响应所确定的变化来控制发动机系统的操作控制。

在另一方式中，本发明是一种用于检测和控制机车发动机系统中的柴油发动机的喘振事件的方法，该发动机系统包括涡轮增压器和可在多个不连续运转速度下运转的柴油发动机。本方法包括感测发动机系统的运转参数，并确定涡轮增压器中发生的喘振事件，其中所感测运转参数随着时间的变化表明了喘振事件。本方法控制柴油发动机的运转速度，以当确定发生了喘振事件时，将发动机速度从第一不连续速度增加到第二不连续速度一段预定的时间，并在此后将柴油发动机速度减小到该第一速度。本方法在增加发动机速度之后以及在预定时间段内监控其它喘振事件。当在该预定时间段内发生其它喘振事件时，本方法产生表明喘振事件的信号。

本发明通过在涡轮增压器喘振发生时检测该喘振、并调整发动机的速度来避免其它喘振的发生，解决了现有技术系统的局限性。本发明可以利用现有硬件，并控制位于车上的现有机车。本发明还通过只在实际检测到喘振时才采取措施，来将最小的操作影响施加到机车运转、喷射和燃料燃烧上。这样，通过允许发动机在大多数运转条件下接近喘振线运转，可以实时优化发动机性能。此外，本发明提供了一种解决方案，在特定应用或配置所需的最小修改和调整情况下，可用于所有的发动机和涡轮增压器配置。

本发明的其它方式和特征将在下面部分指出，并部分变得明显。

附图说明

图1是根据本发明一个方面的柴油电动机车的示意图，其包括柴油发动机、交流发电机、牵引电动机、涡轮增压器和控制器。

图2是示出了废气和进入空气相对涡轮增压器的流动的关于柴油发动机的涡轮增压器的一个方面的示意图。

图3是典型的、描绘作为压力比和校正的质量流的函数的发动机运转线和涡轮增压器喘振线的现有技术的涡轮增压器压缩机图的图形表示。

图4是根据本发明一个方面的示例性涡轮喘振检测和避免系统及方法的逻辑流程图。

图5是表示根据本发明一个方面的柴油发动机速度和来自歧管(manifold)气压换能器的关联歧管压力信号的示例性图形表示。

图6是根据本发明一个方面，描绘根据从995rpm到1050rpm的发动机速度改变，而将压缩机运转线远离喘振线移动的涡轮增压器压缩机图的示例性图形表示。

整个附图中，对应的附图标记表示对应的部分。

具体实施方式

参考图1，在柴油电动机车100中，柴油发动机102用于驱动电传输，该柴油发动机102包括向多个牵引电动机108供应电流的发电机104，这些牵引电动机的转子耦合到机车的轴轮副(未示出)上。发电机104一般包括主三相牵引交流发电机104，其转子机械耦合到柴油发动机102的输出轴140上。当激励控制器114向交流发电机104的励磁绕组供应激励电流150时，在交流发电机104中产生交流电压142。这些电压142被整流为DC功率，并在DC牵引电动机的情况下施加到牵引电动机108上。在AC牵引电动机108的情况下，DC电压施加到向AC电动机108提供合适AC激励能量144的逆变器106上。

图2是根据本发明一个方面的机车发动机系统200的示意图，包括涡轮增压器116和柴油发动机102。图2图示了相对涡轮增压器116和柴油机102的废气和进入空气的流动。参考图1和2，发动机102具有进气歧管224和排气歧管212。来自发动机102的废气128从排气歧管212排出发动机102，并进入涡轮增压器116。废气128旋转涡轮增压器116的涡轮134，然后作为废气112从涡轮增压器116排出到周围空气中。在涡轮增压器116中，涡轮134机械连接到压缩机136。周围空气138从空气进入压力通风室208吸入到涡轮增压器进气口210上的压缩机136中。压缩空气206离开涡轮增压器116的压缩机136，并进入中间冷却器216。中间冷却器空气214从该中间冷却器216进入进气歧管224，并在126提供给发动机102的气缸。

再参考图2，箭头表示经过配备涡轮增压器116的柴油电动机车发动机系统200的各组件部分的空气流。该空气流以在空气压力通风室208吸入的周围空气202开始。从该空气压力通风室208开始，空气在204流入在154的涡轮进气口210，然后在138流入涡轮增压器116。当压缩机116压缩该空气之后，压缩空气206进入中间冷却器216。该中间冷却器216向进气歧管224提供压缩的中间冷却器空气214。进气歧管224向发动机102运送压缩空气126。当空气在发动机102的气缸中点火之后，废气128被运送到向涡轮增压器116中的涡轮134运送废气128的排气歧管212。在废气128流过涡轮增压器的涡轮134之后，废气112由发动机排出系统(未示出)运送到周围空气中。发动机控制器118控制发动机102的运转，并从传感器122接收输入信号146，用于感测与发动机102、电传输系统和涡轮增压器116关联的各种运转参数。传感器122感测运转参数，例如歧管气压(MAP)、歧管气温(MAT)、燃料值、涡轮增压器速度、振动、偏转、发动机马力、轮滑和进气歧管的质量空气流。例如，图1和图2图示了与进气歧管224关联的进气歧管换能器124，以测量歧管气压126。其它例子是涡轮增压器速度传感器148、与空气压力通风室208关联的压力换能器222、与空气压力通风室208关联的变形测量器218、也与空气压力通风室208关联的加速计220、和位于从排气歧管212到涡轮增压器116的废气流中的预涡轮压力换能器226。感测柴油电动机车100的发动机102、涡轮增压器116和电传输系统的运转条件的其它传感器122，也向发动机控制器118提供输入信号146，并在本发明中使用，但未在附图中示出。

发动机控制器118控制一个或多个发动机系统操作控制。发动机系统操作控制的例子包括发动机速度、燃料喷射进角、喷射定时、进入冷却系统、阀门/凸轮轴定时、换向器阀激活/减活、排气阀激活/减活、和由电传输系统提供并进一步由激励控制器114控制的发动机负载。

在机车100中，特定发动机102和涡轮增压器116设计和/或配置产生特定的涡轮增压器性能图。如图3所示，300是描绘作为压力比与校正的质量流的函数的发动机运转线和涡轮增压器喘振线的典型的现有技术涡轮增压器压缩机图的图形表示。在该表示中，涡轮增压器压缩机图300表示为压力比与通过该压缩机的校正的质量流的函数。图300的整个形状由恒定发动机速度线和压缩机速度线限定，并基于与特定发动机102配对的涡轮增压器116所测量的性能。如图3所示，纵轴是压力比，而横轴是校正的质量流。喘振线304限定涡轮增压器116稳定运转的界限。涡轮增压器116在喘振线304上或左侧的运转导致流向压缩机的气流减少，从而产生经过压缩机的稳定气流的间歇的颤动和中断。涡轮增压器116转/分(rpm)的速度由喘振线附近的一组弧线308表示。每一线308代表一个恒定涡轮增压器速度的运转范围。涡轮增压器速度线308根据每个线308表示的压力比与校正的质量流而移动。发动机的运转线302是从左向上延伸到右的直线，表示特定发动机102和涡轮增压器116配置的压力比对校正的质量流的运转性能。

正如已提到的，当涡轮增压器116在位于喘振线304之上的压力比和对应的校正质量流下运转时，出现涡轮增压器喘振事件。但是，压缩机图和喘振线304是涡轮增压器运转的设计和性能特性的图形表示。尽管压缩机图提供涡轮增压器116和发动机102的运转特性的信息，该压力图还是很有用的，因为其说明了在发动机102和涡轮增压器116运转期间的喘振事件。

在一个实施例中，本发明确定在发动机102和涡轮增压器116运转期间何时实际发生喘振。为了改善发动机系统200的性能，调整发动机102的运转以避免进一步发生喘振事件。在一个实施例中，为了避免进一步的喘振，当发动机控制器118检测到喘振条件时，该发动机控制器118增加发动机速度。发动机速度的增加导致运转线向下移动并移到右侧，从而运转线302远离喘振线304。如上所述，也可以控制其它发动机系统操作控制，以更改发动机系统200的运转，从而避免进一步的喘振事件。

在本发明的一个实施例中，当传感器信号146表明在限定的一段时间内有不止一个喘振事件时，发动机控制系统118或控制器增加柴油发动机102的速度。例如，在一个实施例中，如果确定在1分钟的时间内发生了两个喘振事件，则控制系统118增加速度。但是，其它实施例识别1个或大于1个的离散数的喘振事件数量。此外，为这么多喘振事件限定的时间段是从1秒到大于5分钟的片断。

在一个实施例中，传感器122是与柴油发动机102的进气歧管224关联的歧管气压换能器124。传感器信号146表示在进气歧管224内的歧管气压。在该实施例中，涡轮增压器116喘振事件的感测包括：检测由发动机空气进入系统224、216、116、210或208内的气流反向引起的快速压力波动。该压力波动可以用任何与来自进气口210、中间冷却器216或进气歧管224的进入气流关联的压力换能器124或222检测。在该实施例中，当传感器信号146表明在进气歧管224的气压中出现短暂的但相对较大的减小，通常称为下行尖峰(downward spike)时，发动机控制系统118可以增加柴油发动机102的速度。这样的下行尖峰是任意幅度或持续时间的，从而分离地定义喘振事件。例如，在一个实施例中，当传感器信号146表明在进气歧管224内的气压已减小了8磅每平方英寸(psi)时，发动机控制系统118增加柴油发动机102的速度，随后在该8psi减小的1秒内又增加了4psi的气压。其它实施例可以表明歧管内的气压减小在1psi到7psi、或2psi到6psi的范围内。随后的气压恢复或增加可以在1到4psi的范围内，或在另一实施例中恢复范围可以是2psi到3psi。这样的恢复发生在歧管气压在100毫秒到5秒之间的期限内最初减小超过2psi之后。压力减小和随后压力增加的其他范围可以在唯一识别气压随时间的变化表明在涡轮增压器116中发生了喘振的时间段范围内。例如，该时间范围可以在半秒和3秒之间，或在另一实施例中可以在1秒和2秒之间。

在另一实施例中，传感器122是检测涡流增压器116的旋转速度的涡流增压器速度传感器148。在该实施例中，传感器信号146表示涡流增压器116的旋转速度，而且当该传感器信号146表明涡流增压器速度在预定时间段内发生了预定量的变化时，发动机控制系统118增加柴油发动机102的速度。在一个实施例中，当涡流增压器速度在1分钟内在100到2000rpm的范围内增加时，发动机控制控制系统118可以增加发动机102的速度。其它实施例中包括200rpm到1900rpm的速度增加，或表明喘振的100和2000rpm之间的范围。这样的预定时间段可以是1秒到大于1分的片断。例如，一个实施例中，涡轮增压器速度在1秒时间段上的变化是200rpm。

在其它实施例中，喘振表明与涡轮增压器116的进气系统关联的力的变化。在典型的机车系统200中，空气压力通风室208和涡轮增压器进气口210由金属片导管组成。当发生喘振事件时，气流和压力的变化导致该金属片的振动和/或偏转。这样，通过将一个或多个传感器与进气系统关联来感测金属片振动的变化，可以检测涡轮增压器喘振。在另一实施例中，传感器用特定时间段内的特定范围感测金属片的偏转变化。例如，与进气口210或空气压力通风室208的表面关联的应变计218或加速计220将感测该表面振动在预设时间段内的变化，或大于预定量的偏转。当控制系统118确定振动或偏转变化表明发生喘振事件时，控制系统118增加发动机102的速度。

在另一实施例中，与进气口210或空气压力通风室208关联的压力换能器222检测进入该涡轮增压器116的空气的气压。在这种情况下，当涡轮增压器116中发生喘振时，在进气口210或202进入涡轮增压器116的质量流压力变化表明发生了喘振事件。该变化可以表明为由进气压力换能器222产生的气压信号的迅速变化，或可以是气压随着时间的增加或减小。

在一个替换实施例中，控制器118监控不止一个运转参数，并当这些运转参数的组合表明已发生了喘振事件、且另一因素如轮滑还没有发生时，控制发动机102的速度。在一个替换中，歧管气压和轮滑是被感测的运转参数。如果气压随着时间的变化表明气压短暂、但相对较大的变化，例如尖峰，但同时轮滑传感器信号表明正发生轮滑，则控制器118可以确定没有发生喘振。运转参数的其它组合也是可能的，并可以用于确定涡轮增压器116中的喘振事件的发生。

此外，与柴油发动机102的运转关联的其它传感器122可以感测其它运转参数。例如，可以感测歧管气温(MAT)、燃料值、发动机马力和周围空气压力(用气压计测量)。这些运转参数的传感器信号146也可以由发动机控制系统118采用，以确定喘振事件是否已发生以及何时发生，或诊断发动机102或涡轮增压器116运转的其它问题。例如，如果在一个实施例中由歧管气压发生的3个下行尖峰表示喘振条件，则喘振条件是可能的。但是，如果也确定歧管气温(MAT)较高，进气压力较低，并且周围的气压表明较低的海拔高度，则控制器可以确定机车冷却系统或中间冷却器216出现了问题。

在另一实施例中，对传感器信号146的更多复杂数学分析可以用于从该传感器信号146中确定喘振事件。例如，付立叶变换分析可以用于确定传感器信号146的频域值。本发明的这样一个实施例刻画了典型运转期间的期望频率的特征，并刻画了喘振事件的特征。其它数学分析也可以用于确定喘振事件，并由本发明预测。

当确定在限定的时间段内发生了3个喘振事件时，根据本发明的方法可以确定喘振的发生。在其它实施例中，一个或更多的各种其它喘振事件可以用于确定喘振的发生。此外，所限定的时间段可以随不同的实施例而不同，其中所限定的时间段是1秒到大于5分钟的片断。一个特定的实施例是其中时间段是1分钟。

在一个实施例中，机车100由具有涡轮增压器116的柴油发动机102驱动。该柴油发动机102以多个不连续速度运转。传感器122检测涡轮增压器116和/或发动机102的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号146。发动机控制系统118以不连续运转速度控制柴油发动机102的速度，其中每个速度都对应于节流阀120的一个档位。该发动机控制系统118响应于传感器信号146，并且当传感器信号146随着时间的变化表明涡轮增压器116发生了喘振事件时，将柴油发动机102的速度从柴油发动机102运转的第一离散速度增加到更高的离散速度。

图4图示了根据本发明一个方面的示例涡轮喘振检测和避免系统以及方法的逻辑流程图400。例如，在一个实施例中，柴油发动机102以995转/分(rpm)的速度运转402。在404，发动机控制系统118针对3个喘振事件的发生而监控传感器信号146。如果在限定的时间段内例如1分钟内表明出现了3个喘振事件，则发动机控制系统118将柴油发动机102的速度增加到1050rpm。发动机控制系统118继续检测由传感器信号146表示的喘振事件。如408所示，在一个实施例中，在发动机102的速度从995rpm增加到1050之后的预定时间可以是一个小时410。如果过了一个小时，并且没有进一步检测到喘振事件，则发动机控制系统118将发动机速度恢复到995rpm，即增加之前的发动机102的速度414。但是，如果在发动机102速度增加之后的这段预定时间期间，又在限定的时间段，例如1分钟内检测到3次喘振，则发动机控制系统118在系统中记录一次故障，将该事件的发生存储在存储器(未示出)中，或产生故障信号或消息412。在预定时间段内检测到喘振事件的该实施例中，发动机控制系统118继续以该预定时间段的增加的速度控制发动机102的速度。一旦预定时间段过去410，发动机控制系统118就将发动机速度恢复到第一速度，例如恢复回995rpm。

本发明另一方面可能遇到检测到喘振且发动机速度增加的情况。如果在预定时间段内，操作员或控制系统118将节流阀120设置从对应于发动机速度995rpm的节流阀位置减小到对应于速度小于995rpm的节流阀设置，则发动机102的速度减小到新的节流阀设置。但是，如果节流阀120此后又增加到对应于发动机速度995rpm的较高节流阀设置，并且该预定时间段还没有过去，则发动机102自动增加速度，不是增加到995rpm速度，而是增加到1050rpm速度，直到该预定时间段过去为止。换句话说，在一个实施例中，预定时间段和从一个速度到另一更高速度的速度增长通常对于其中所有需要第一发动机速度的节流阀设置都会持续下去。

在另一实施例中，当检测到喘振时，发动机控制系统118按照离散步进增加涡轮增压器116的速度，直到涡轮增压器喘振消除为止。例如，当检测到第一涡轮增压器喘振条件时，发动机速度102可以增加10rpm的离散速度。在预定时间段内，系统继续监控喘振。如果检测到第二涡轮增压器喘振条件，则发动机102的速度再增加10rpm的附加离散速度。该过程一直持续到预定时间段内不再发生喘振条件为止，或持续到达到预定的最大速度增量为止。例如，在一个实施例中，如果以995rpm运转，该离散速度步进为1005rpm、1015rpm、1025rpm、1035rpm、1045rpm和1050rpm。1050rpm可能是最大发动机速度。在这样一个实施例中，如果检测到连续喘振，则不会产生进一步的速度增加，并且会在日志中为进一步的维护行为记录一个报告，或产生表明喘振事件和相关参数的信号。在其它实施例中，该离散步进可以大于或小于10rpm，最大rpm可以大于或小于1050rpm。

图5说明所述系统和方法的一个实施例的示例性操作。左纵轴上从0到1200的刻度表示发动机转/分的运转速度，横轴表示时间从0开始。在该例中，线502表示发动机运转速度。在最初发动机102启动之后，线502描绘发动机以995rpm运转。线504说明在同一时间段上的歧管气压信号504。说明歧管气压信号的线504的刻度在右纵轴上以从0到60psi的刻度示出。线504表示在发动机启动之后歧管气压上升到40到50psi范围内的一个值。如上所述，可以在预定时间段内出现一次或多次喘振事件的情况下确定喘振条件。例如，在图5中，根据本发明的一个实施例，当在时间段522内出现由歧管压力信号504中的3个下行尖峰表示的3个喘振事件时，确定喘振条件。发动机控制系统118确定在预定时间段内，这里表示为时间段522，出现的第一喘振事件506、第二喘振事件508和第三喘振事件510。根据本发明的一个实施例，当时间段522内出现3个喘振事件506、508和510时，发动机控制系统118增加发动机速度。这以512描绘在图5中，此处发动机速度从第一离散速度955rpm增加到较高的离散速度1050rpm。发动机控制系统118保持发动机102在该较高发动机速度下的运转，直到预定时间段514过去为止。在时间段514过去后，发动机速度在516减小到较低的第一速度955rpm。本发明该方面的效果也展示在歧管压力信号504的变化中。在预定时间段514内，气压信号504在518一直增加到该预定时间段514过去为止，其中歧管压力信号在520减小。如气压信号504所示，在预定时间522内没有发生其它如这里所示的其他喘振事件，例如气压信号中的下行脉冲。此外，图5描绘了本发明该方面的长期好处，即在预定时间段514过去之后，并且在发动机速度502返回到第一发动机速度955rpm之后，歧管压力信号504不显示进一步的喘振事件。

在该实施例中，发动机速度从955rpm到1050rpm的增加可以图形表示为发动机102的运转线的移动，如在压缩机图上所表示的。图6是描绘喘振线602的涡轮增压器压缩机图600的示例性图形表示，其中喘振线602识别压力比对校正的质量流的上边界。运转在喘振线602上面或左侧导致涡轮增压器喘振。图6也描绘了其中发动机102以995rpm运转的发动机运转线604。图600也描绘了恒定的涡轮增压器速度线608到622，表示涡轮增压器速度以1000rpm的增量从14000rpm增加到21000rpm。图6描绘了当发动机速度增加到1050rpm时，发动机速度995rpm的运转线604移动到运转线606。如图6所示，根据本发明，增加的发动机速度导致运转线从604移动到向下向右远离喘振线602的606。这导致对于同一涡轮增压器速度的喘振边缘增加。喘振边缘是运转线606和喘振线602之间的距离。这表示本发明的一个实施例和本发明所预测的其它实施例将导致其它压缩机喘振图，并且其它发动机运转速度的变化将导致其它运转线。此外，如下面将提到的，发动机控制系统118可以做出更改或调整除发动机速度之外的其它发动机102、涡轮增压器116和/或电传输系统操作控制，以便在检测到喘振或预测要发生喘振时避免涡轮增压器116的喘振。在这种情况下，该更改也可以利用表示这种更改好处的压缩机图来以图形表示描绘出。

在另一实施例中，该发动机控制系统118将柴油发动机102的速度增加到较高的不连续速度一段预定时间，例如1分钟到4小时之间的一段时间。在该预定时间段过去之后，发动机控制系统118将柴油发动机102的速度减小到第一速度。在一个实施例中，该时间段是1个小时。但是应当理解，其它时间段也是适合的，并由本发明预计到。例如，预定时间段可以在1分钟到3小时的范围内，或在另一实施例中在半小时到2小时的范围内。

在另一实施例中，该发动机控制系统118继续监控传感器信号146，并继续检测可能在发动机控制系统118增加了发动机102的速度之后、且在预定时间段内发生的喘振事件。发动机控制系统118可以检测在预定时间段内、发动机速度增加后发生的喘振事件。当这样的事件发生时，发动机控制系统118可以向操作员或管理系统(未示出)产生消息或报警、产生警报，或简单地将喘振事件的发生以日志记录在存储器(未示出)中。

在另一实施例中，机车推进系统100和200包括变速柴油发动机102，其具有燃烧进气歧管224和排气歧管212；燃料控制器110，用于向发动机气缸供应柴油燃料；连接发动机102的排气歧管212和进气歧管224的涡轮增压器116，其具有由发动机的废气128驱动、且依次驱动压缩机136向进气歧管224供应压缩空气136的涡轮134；发动机速度传感器130，用于感测发动机102的速度；电功率发电机系统104，由发动机140机械驱动；和激励控制器114，用于控制该发电机系统的功率输出。该实施例进一步包括传感器122，配备用于感测涡轮增压器116或发动机102的运转参数，并配备用于产生表示所感测运转参数的传感器信号146。控制器118适用于接收产生的传感器信号146，并用于产生发动机速度控制信号，从而当传感器信号随着时间的变化表明出现喘振事件时，将发动机速度从第一离散速度增加到另一离散速度一段预定时间。

在本发明的另一实施例中，节流阀120可操作地通过列车电缆132连接到发动机102，其中该节流阀具有1到8的离散操作位置，以及其中当节流阀120位于其中档位5、6或7之一时，控制器118产生发动机速度控制信号来增加该发动机速度。在一个替换实施例中，当检测到喘振时，发动机控制系统118将发动机速度增加到下一个可用的档速。例如，档设置5、6和7的发动机速度可以是955rpm，档8的发动机速度是1050rpm。如果节流阀120在档位5、6或7上，且确定了喘振事件，则发动机控制系统118将发动机速度增加到1050rpm。在这样一个实施例中，如果节流阀120在最高操作档8，且确定已发生了喘振事件，则发动机控制系统118不增加速度，因为发动机102已经在最高可用速度下运转。相反，在这种情况下，发动机控制系统118将喘振的发生以日志记录在存储器(未示出)中和/或产生警报或消息，以提醒操作员或外部操作支持系统(未示出)该喘振的发生。在其它实施例中，其它节流阀设置和其它发动机速度按照与本发明一致的相似方式运转。

在另一实施例中，柴油发动机102具有多个不连续运转速度，能够在多个不连续运转功率电平下运转。本实施例包括用于感测涡轮增压器116或发动机102的运转参数的部件。确定部件确定何时在涡轮增压器116中发生喘振。该确定部件可以随着时间响应所感测的运转参数。控制部件控制柴油发动机102的速度，并且当确定部件确定已发生喘振事件时，将柴油发动机102的速度从柴油发动机102运转的第一不连续速度增加到较高的不连续速度一段预定的时间。

在另一实施例中，本发明是一种用于检测和控制机车100中发动机系统200的喘振事件的方法，其配备有涡轮增压器116和柴油发动机102。柴油发动机102可以在多个不连续运转功率电平和不连续速度下运转。在该实施例中，本方法包括：感测涡轮增压器116或发动机102的运转参数，并确定涡轮增压器116中发生的喘振事件，其中所感测运转参数随着时间的变化表明喘振事件的发生。本方法进一步包括：控制一个或多个发动机系统200控制，以避免喘振事件的进一步发生。

另一种方法是控制发动机102的速度，从而当确定发生了喘振事件时，将发动机102的速度从第一不连续速度增加到第二不连续速度。其它控制包括控制燃料喷射的进角，以及控制发动机系统上的马力负载。

在另一实施例中，控制发动机102的速度包括：将发动机速度增加到较高的不连续速度一段预定的时间，然后将柴油发动机102的速度减小到第一速度。正如已提到的，该预定时间段可以是预定用来表明喘振事件是正被监控以检测喘振的特定运转参数的任意时间段。在一特定实施例中，当所监控的运转参数是歧管气压时，该预定时间段是1个小时。

在另一实施例中，本发明是一种用于检测和控制机车100中柴油发动机102的喘振事件的方法，该机车配备有涡轮增压器116和在多个不连续速度下运转的柴油发动机102。在本实施例中，本方法包括：感测涡轮增压器116或发动机102的运转参数，并确定涡轮增压器116中发生的喘振事件，其中所感测运转参数随着时间的变化表明喘振事件的发生。本方法进一步包括：控制发动机102的速度，从而当确定发生了喘振事件时，将发动机102的速度从第一不连续速度增加到第二不连续速度一段预定时间，然后将柴油发动机102的速度减小到第一速度。本方法进一步包括：在增加发动机102的速度之后并在预定时间段内监控喘振事件，并且当在该预定时间段内发生喘振事件时，启动例如产生消息、产生警报或将该事件作为日志记录到存储器中的行为。

在一个替换实施例中，当检测到或发生喘振事件时，发动机控制系统118可以更改发动机102或电传输系统的其它操作控制，以避免涡轮增压器喘振。在一个实施例中，该发动机控制系统118可以更改燃料喷射进角，以减小涡轮增压器速度。如图6所示，减小涡轮增压器速度减少了校正质量空气流和压力比，这可能增加喘振边缘。其它操作也可以由发动机控制系统118启动，以减少压缩机上的反压力，由此减小对应于特定校正质量流的压力比。在一个替换实施例中，发动机控制系统118可以调整电传输系统的额定马力，由此调整柴油发动机102上的负载。发动机控制系统118可以向激励控制114提供控制信号，该信号减小AC激励能量144。通过减免发动机102的马力，可以减小压力比，从而增加喘振边缘。在另一实施例中，改变冷却系统以减少歧管气温可以避免在涡轮增压器中的喘振。在另一实施例中，在发动机系统配备有可变凸轮轴和/或阀门定时的情况下，发动机控制系统可以调整阀门定时，以优化或增加经过气缸的流量，这减少了涡轮增压器喘振的发生。在另一实施例中，可以操作压缩机排放量上的换向阀门，以减少涡轮增压器喘振。

在本发明的另一实施例中，与歧管气压124和涡轮增压器进气口压力222关联的传感器可以组合使用，以确定压力比与校正的质量流的工作比，例如，这可以作为压缩机图上的工作点以图形描绘出。在该实施例中，发动机控制系统118可以具有存储在存储器(未示出)中的、关于这样的压力比与校正的质量流的比例或组合的数据。发动机控制系统118从一个或多个传感器122接收传感器信号146。发动机控制系统118将传感器信号数据与存储的数据进行比较，并确定喘振条件已逼近。在这样一种情况下，发动机控制系统118增加发动机速度或更改其它的发动机或电传输操作控制，以便在涡轮增压器喘振实际发生之前就加以避免。通过确定压力比与校正质量流的组合的实际组合，发动机控制系统118可以主动地控制发动机102和电传输系统的操作，以防止喘振。

当介绍本发明或其实施例中的元件时，冠词“一个”、“该”和“所述”的意思是存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”都是包括性的，意思是除了所列出的元件之外还有其它元件。

虽然已说明和描述了本发明的各实施例，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出很多改变和修改。由于在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述结构作出很多改变，所以以上描述所包含的或显示在附图中的所有内容都解释为说明性的，并非限制性意义。

发明背景

本申请要求2002年10月21日提交的美国临时申请号60/419895的优先权。

Claims (8)

1.一种用于检测和响应包含涡轮增压器(116)和柴油发动机(102)的机车发动机系统(200)中的喘振事件的装置，该装置包括：

传感器(122)，用于检测该涡轮增压器(116)或发动机(102)的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号(146)；以及

发动机控制系统(118)，响应该传感器信号(146)，以控制包括所述柴油发动机(102)的速度的多个操作控制，其中当该传感器信号(146)表明发生喘振事件时，该发动机控制系统(118)修改包括该柴油发动机(102)的速度的一个或多个操作控制。

2.一种用于检测和响应包含涡轮增压器(116)和柴油发动机(102)的机车发动机系统(200)中的喘振事件的装置，该装置包括：

传感器(122)，用于检测该涡轮增压器(116)或发动机(102)的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号(146)；以及

发动机控制系统(118)，响应该传感器信号(146)，以控制包括该柴油发动机(102)的燃料喷射进角的多个操作控制，其中当该传感器信号(146)表明发生喘振事件时，该发动机控制系统(118)修改该柴油发动机(102)的燃料喷射进角。

3.一种用于检测和响应包含涡轮增压器(116)和柴油发动机(102)的机车发动机系统(200)中的喘振事件的装置，该装置包括：

传感器(122)，用于检测该涡轮增压器(116)或发动机(102)的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号(146)；以及

发动机控制系统(118)，响应该传感器信号(146)，以控制所述柴油发动机(102)的包括电传输系统的额定马力的多个操作控制，其中当该传感器信号(146)表明发生喘振事件时，该发动机控制系统(118)修改该柴油发动机(102)上的负载。

4.一种装置，包括：

由具有涡轮增压器(116)和柴油发动机(102)的机车发动机系统(200)驱动的机车(100)，该发动机(102)可以在多个不连续的速度下运转；

传感器(122)，用于检测该涡轮增压器(106)和/或发动机(102)的运转参数，并产生表示所检测运转参数的传感器信号(146)；以及

发动机控制系统(118)，用于在不连续速度下控制该柴油发动机(102)的速度，其中每个不连续速度都对应于节流阀的一个档位；

其中该发动机控制系统(118)响应该传感器信号(146)，并当该传感器信号(146)随着时间的变化表明发生涡轮增压器(116)的喘振事件时，将柴油发动机(102)的速度从该柴油发动机(102)运转的第一不连续速度增加到较高的不连续速度。

5.根据权利要求4的装置，其中，当该传感器信号(146)表明在所限定的时间段内发生两次喘振事件时，该发动机控制系统(118)增加柴油发动机(102)的速度。

6.一种用于检测和控制机车发动机系统(200)的喘振事件的方法，该系统包括涡轮增压器(116)和可在多个不连续速度下运转的柴油发动机(102)，该方法包括：

感测该发动机系统(200)的运转参数；

确定表明喘振事件的所感测运转参数的变化；以及

响应所确定的变化来控制柴油发动机(102)的速度。

7.根据权利要求6的方法，其中，控制发动机(102)的速度包括：将柴油发动机(102)的速度从第一不连续速度增加到第二不连续速度持续一预定的时间段。

8.根据权利要求7的方法，进一步包括：在增加发动机(102)的速度之后监控喘振事件，并且当所述预定时间段内发生喘振事件时，以日志记录报告或产生表明喘振事件的信号。

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