CN103648881B - 用于机车组的功率控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机车组（100）的功率控制系统（400）。机车组（100）可包括多个机车（120），每节机车（120）具有发动机（140）。功率控制系统（400）可包括多台机车控制器（380）。每台机车控制器（380）可与发动机（140）中的一台相关联并且配置成用于检测相关联发动机（140）的温度和功率状况。功率控制系统（400）还可包括中央控制器（410），该中央控制器适用于从每台机车控制器（380）接收温度和功率状况并且基于接收到的多个机车（120）的温度和功率状况确定机车组（100）中的每台发动机（140）的期望功率等级。

Description

用于机车组的功率控制系统和方法

技术领域

本发明基本涉及一种机车组的运转，尤其是涉及用于在穿过隧道时控制机车组的总功率的系统和方法。

背景技术

在传统的机车组装置中，每节机车的冷却系统和功率控制系统会被分别地控制。在这样的装置内，各节机车的冷却系统或功率控制系统之间没有信息交换、通信链路或控制协调。因此，当发动机冷却液温度超过具体某节机车的容许最大值并且此机车的冷却系统以满功率运行时，每节机车的控制系统必须减少各自的发动机的功率。然而，尤其是在隧道条件下，机车组中每节机车的冷却进风口温度是相互关联的。

当机车组穿过隧道时，每节机车会从发动机传递热量给周围环境空气，所述热量会滞留在隧道中直到机车组通过隧道。因此，后面的机车冷却系统会接收到由其前面进入隧道的每节机车加热的温度越来越高的空气。这可能会引起发动机冷却液温度增加到高于容许极限的温度，从而需要降低随后的机车的功率。在现有技术系统中，降低功率会单独地根据各自环境和发动机情况执行在每节机车上。这种功率控制的下降与机车组中其他机车的功率等级是无关的或不考虑其他机车的功率等级。因此，机车组的总功率会比需要的功率更小，尤其是当机车运行在隧道环境下。

在美国专利No.7072747 B2(以下简称747专利)中描述了在隧道条件下保持机车运行的一种解决方案。747专利涉及控制机车组通过隧道的方法，该方法使各机车保持了充分联合的性能能力从而使得机车组穿过隧道。

由747专利提供的解决方案要求，为了穿过隧道，在机车组进入隧道之前每节机车均经过配置。这就要求基于机车组穿过隧道所需的牵引力和机车组中每节机车的相对位置的高级配置。此外，这也要求预测每节即将通过隧道的机车的参数。除非接收到关于隧道的位置和机车组中每节机车相对位置的数据，否则由747专利提供的解决方案不能操作。当机车组在穿过隧道时，在747专利中公开的方法称能够动态地改变哪节机车进行空转以保持足够的机车总牵引力。然而，747专利的方法不能够控制每节机车的冷却系统，也没有公开动态地降低机车功率的方法。更确切的说，747专利中公开的控制系统局限于，仅在空转和满牵引力负荷两个模式之间切换。

本发明所公开的功率控制系统涉及克服一个或多个以上所提出的问题和/或所属领域中的其他问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明公开了一种用于机车组的功率控制系统。所述机车组可包括多节机车，每节机车都具有发动机。功率控制系统可包括多个机车控制器。每台机车控制器可与发动机中的一台相关联，并且配置成用于监测相关联发动机的温度和功率状况。功率控制系统还可包括中央控制器，该中央控制器适用于接受来自每台机车控制器的温度和功率状况，并且基于已接收到的多个机车的温度和功率状况确定机车组中每台发动机的期望功率等级。

根据本发明的另一个方面，本发明公开了一种用于控制机车组的总功率的方法。所述机车组可包括多节机车，每节机车都具有发动机。所述方法可包括接收来自每节机车的中央位置功率状况和温度数据。所述方法还可包括基于接收自每台机车的功率状况和温度数据，来确定每台发动机的期望功率等级并且为至少一台发动机做出的调整，从而达到期望功率等级。所述方法还可包括将对至少一台发动机做出的相应调整传递给相应的机车。

根据本发明的其他方面，本发明公开了一种机车组。所述机车组也可包括多个机车。每节机车可包括发动机。每节机车可包括适用于调节发动机温度的冷却系统。每节机车可包括配置成用于监测和控制发动机和冷却系统的机车控制器。每节机车还可包括发动机温度传感器，该发动机温度传感器配置成用于测定发动机温度并且将表明发动机温度的信号传递给机车控制器。此外，每节机车可包括空气温度传感器，该空气温度传感器配置成用于测定环境空气温度并且将表明环境空气温度的信号传递给机车控制器。机车组可包括中央控制器，该中央控制器配置成用于接收来自每台发动机控制器的发动机温度和环境空气温度，并且基于接收到的多个机车的温度和功率状况确定机车组中的每台发动机的期望功率等级。

附图说明

图1示出了示例性机车组的示意图。

图2示出了发动机的透视图。

图3提供了发动机的示例性冷却系统的框图。

图4示出了机车组的示例性功率控制系统的框图。

图5提供了流程图以描述用于控制机车组总功率的示例性方法。

具体实施方式

图1示出了包括多节机车120的机车组100，所述多节机车至少包括第一节机车和最后一节机车。每节机车120可包括发动机140。在一实施例中，发动机140可包括单向流动式双冲程的柴油机系统。尽管没有在图1中示出，机车组100可包括多于两节的机车120。此外，机车组100也可包括各种其他火车车厢，例如货运车厢或客运车厢，且可采用不同车厢和机车的排布以适应机车组100的特殊使用。

图2示出了可包括传统式空气系统的示例性发动机140。例如发动机140可包括具有压缩机和涡轮的涡轮增压器210。除了涡轮增压器210，发动机140也可包括气仓220，排气总管230，和用于燃烧的曲轴箱240。涡轮增压器210可向发动机140提供压缩空气。涡轮增压器210的压缩机可将已压缩的环境空气传送至二次冷却器250，在此处将压缩空气冷却至选取的温度。出于环境、经济和安全的考虑会给发动机140的最高工作温度施加约束，以改善发动机排放并且维持发动机工作寿命。因此，发动机140会有预先设定的发动机温度阈值，例如预先设定的发动机冷却液温度阈值。二次冷却器250中的压缩空气的冷却会降低发动机燃料的消耗和NO_X的排放量。

图3示出了意在将发动机温度保持在预先设定的发动机温度阈值之下的冷却系统300的图解。冷却系统300可适于调节发动机140的温度。在一实施例中，冷却系统300可使用例如水的冷却液来冷却发动机140。在另一实施例中，冷却系统300可使用防冻液作为冷却液。冷却系统300可以具有某些限制以将冷却液温度保持在发动机最高冷却液温度极限值之下。在使用水作为冷却液的冷却系统中，冷却液温度极限可以是212°F，即标准大气压下的水沸点。发动机最高冷却液温度极限值会被择取以确保冷却系统300的持续运行从而冷却发动机140。

冷却系统300可包括冷却液流经的水环路310。在一实施例中，由发动机140产生的热量会传递至在水环路310中流通的冷却液。水泵320会使得来自发动机140的水或其他冷却液通过水环路310进行循环。一旦冷却液在水环路310中流通，冷却液就会流至散热器330。散热器可包括一个或者多个风扇340以便驱动环境空气通过散热器330从而冷却水环路310中的水并且给将热量传递至环境空气。冷却后的水可以循环至其他组件并且流回发动机140。

通过控制多个冷却系统300的组件，机车120可将发动机冷却液温度保持在期望的运行区间内。在一实施例中，发动机140的期望的运行冷却液温度区间可在170°F到180°F之间。冷却系统300可包括用来确保将发动机冷却液温度保持在期望范围内的传感器。发动机温度传感器350可测定与发动机140相关的冷却液温度并且将该冷却液温度传递给机车控制器380。当冷却液温度达到温度的上限与下限时，机车控制器380可指令风扇转速驱动器360来改变风扇340的速度以调整冷却液的温度。

当环境空气温度上升时，由于风扇340将散热器330中的冷却液的热量引出的能力降低了，冷却系统300中的冷却液温度也会上升。这会降低冷却系统300的散热能力。特别是当环境空气温度和发动机载荷达到一特定的阈值时，冷却系统300的冷却能力可能不足以在期望的范围内保持冷却液温度，即使风扇340以满冷却能力运转。冷却系统300也可包括用于监测发动机140周围的环境空气温度的空气温度传感器370。

机车控制器380可监测并且控制发动机140。在一实施例中，机车控制器380从一个或多个传感器处接收温度数据。例如，机车控制器380可从空气温度传感器370处接收环境空气温度数据。机车控制器380可配置成确保发动机140的冷却液温度不会超过预先设定的发动机冷却液温度阈值。另外地或此外地，机车控制器380可从发动机温度传感器350接收发动机冷却液温度数据。机车控制器380也可监测机车120的其他功率状况。在一实施例中，可包括监测发动机140的燃料供给率。在一实施例中，作为发动机冷却液温度变化的响应，机车控制器380可指令风扇转速驱动器360以改变风扇340的转速。机车控制器380可调整与发动机140相关的系数。在一实施例中，与发动机140相关的系数可包括燃料供给率和/或风扇转速。

机车控制器380可包括单个微处理器或多个微处理器，所述单个微处理器或多个微处理器包括用于接收来自发动机温度传感器350和空气温度传感器370的温度数据的装置。很多市面上出售的微处理器能够配置成执行机车控制器380的功能。应当注意到机车控制器380能够容易地包括可以控制多个机构或发动机运转的总体机构或发动机微处理器。机车控制器380可包括运行应用程序的所需的所有组件，例如内存、辅助存储设备和比如中央处理器的处理器或其他已知组件。多个其他已知电路可与机车控制器380关联，包括电源电路(未示出)，门驱动器电路以及其他适当的电路。

当冷却系统300以最大冷却能力运转且不能将冷却液温度保持在冷却液温度极限值以下时，可能有必要减少由发动机140产生的热量。在一实施例中，减少由发动机140产生的热量可包括降低发动机功率，或降低发动机的输出。在一实施例中，通过降低燃料供给率而降低发动机的燃料供给可减少由发动机140产生的热量。机车控制器380可控制发动机140的燃料供给率来降低机车120的功率。

图4示出了用于机车组100的示例性功率控制系统400的框图。示例性功率控制系统400配置成用于控制具有四节机车120的机车组100的功率。然而，对所属领域的技术人员显而易见的是，功率控制系统400的其他构造能够操作少于四节机车120或多于四节机车120。功率控制系统400可间接地或直接地监测机车组100中每节机车120的温度和燃料的参数以控制机车组总功率。功率控制系统400可包括用在每节机车120上的一台机车控制器380和在监测整个机车组100运转的中央控制器410。

如上文参照图3所述，每节机车120可包括机车控制器380和传感器350、370来监测和控制相应的发动机140。功率控制系统400可利用这些部件来监测每节机车120。此外，每个机车控制器380可适用于控制各相应机车120的功率状况。机车控制器380可适用于与中央控制器410通信。在一实施例中，机车控制器380可配置成接收和执行来自中央控制器410的与期望功率等级相关的指令。例如，中央控制器410可指令机车控制器380来改变机车100的燃料供给率。

中央控制器410可适用于接收来自每个机车控制器380的发动机140的温度和功率状况。如图4所示出的，中央控制器410可位于机车组100中的一节机车120上。可替换地，中央控制器410可位于其他车厢上，例如在机车组100的煤水车厢上或在较远的位置上。在一实施例中，中央控制器410可为一节机车120履行机车控制器的作用，此外中央控制器410与机车组100中的其他机车控制器380通信。利用从每个机车控制器380接收的数据，中央控制器410可确定每个发动机140的期望功率等级来控制机车组100的总功率，而不会超出每节机车120的发动机冷却液温度阈值。

中央控制器410可配置成给每个机车控制器380传递指令从而为相应的发动机140配置期望功率等级。这些指令可包括调整与每节机车120相关的冷却系统300来达到期望功率等级。在一实施例中，中央控制器410可控制机车控制器380从而将冷却液温度保持在期望的运行区间内。中央控制器410可配置成用于传递关于各发动机140功率状况的指令。例如，所述功率状况可包括改变各发动机140的燃料供给率。

中央控制器410可包括一个微处理器或多个微处理器，所述一个微处理器或多个微处理器包含与每个机车控制器380通信的装置。很多市面上出售的微处理器能够配置成用于执行中央控制器410的功能。应当注意到中央处理器410能够容易地包括可控制多个机器或发动机功能的总体机器或发动机微处理器。中央控制器410可包括运行应用程序所需的所有组件，例如内存、辅助存储设备和比如中央处理器的处理器或其他已知组件。多个其他已知电路可与中央控制器410关联，包括电源电路(未示出)，门驱动器电路以及其他适当的电路。

功率控制系统400可包括一个或多个发动机温度传感器350来测量与相应的发动机140有关的冷却液温度。功率控制系统400也可包括一个或多个空气温度传感器370来测量相应的发动机140周围的环境空气温度。传感器350、370可传递相关的数据给相应的机车控制器380。依次，每台机车控制器380可传递该数据给中央控制器410。如果在机车组100中其中一台发动机140的冷却液温度达到温度的上限或者下限，则中央控制器410会通过机车控制器380来指令风扇速度驱动器360以改变风扇340的速度和/或将风扇340打开或关闭，从而调整机车组100中每台发动机140的冷却液温度。

然而，在下达调整任一个独立发动机140的风扇速度的命令前，中央控制器410可计算与每台发动机140相关的功率等级和温度。可以通过预先定义的模型来完成中央控制器410的运算。例如，通过基于火车运行模型、实验步骤、多机车式反馈环路或详细的预测模型来完成运算。如果模型很简易并且发动机140的参数和环境条件未知，功率控制系统400可计算出较短的时间区间中的功率分布，并且控制类型可为连续反馈控制系统。如果发动机140的参数和环境条件可以具体的给出，并且模型很完备且经过调整，则更简易的功率控制系统400可在长时间区间中运行。表示发动机140的参数的模型在所属领域是众所周知的。

中央控制器410可全局控制和监测机车组100。在一实施例中，中央控制器410可与每个机车控制器380通信。中央控制器410可被提供关于每台发动机140和冷却系统300的信息。中央控制器410可配置成传递指令至每台机车控制器380以调整各自的燃料供给率，和/或改变冷却系统300的风扇340的速度来达到经过计算得出的功率等级，而不超过每节机车120的发动机冷却液温度阈值。例如，中央控制器410可指令从第一节机车120开始到最后一节机车120的功率降低来控制机车组总功率。在一实施例中，中央控制器410可传递指令至每台机车控制器380来停止各自的发动机140，从停止与第一节机车120有关的发动机140开始到停止与最后一节机车120有关的发动机140结束。

图5示出了一种用于控制机车组100的机车组总功率的方法。此方法可包括监测和控制全体机车120，而不是监测和控制单独的机车120。这可包括在需要时降低机车组100中每节机车120的功率，包括第一节机车120的功率，从而使机车组100在整体上获得益处。

所述方法可包括从每节机车120处接收中央位置功率状况和温度数据(步骤510)。其中可包括接收与发动机冷却液温度相关的温度数据。此外地或可替换地，温度数据也可包括与每台发动机140相关的环境空气温度。在一实施例中，功率状况可包括与每台发动机140相关的燃料供给率。此外地或可替换地，功率状况可包括与冷却系统300的冷却能力相关的数据，例如风扇340的速度。

可从发动机传感器350和空气温度传感器370直接地接收到温度数据。此外地或可替换地，可从与每节机车120相关的机车控制器380接收到此温度数据。在一实施例中，可从每台机车控制器380接收到功率状况。例如，功率状况可包括每台发动机140的燃料供给率。

所述方法也包括确定每台发动机140的期望功率等级，并调整至少一台发动机140来达到期望功率等级(步骤520)。确定期望功率等级可包括基于步骤510中所接收的数据的运算。所述期望功率等级也可基于每台发动机140的已知参数运算得出。确定每台发动机140的期望功率等级可包括确保每节机车120的功率等级不会引起机车组100中的任意一节机车120的发动机冷却液温度阈值被超出。在一实施例中，此步骤可包括使用预先设定的模型来控制机车组100的机车组总功率。

上述调整可使得每台发动机140不会超出其发动机冷却液温度阈值。在一实施例中，对至少一台发动机140的调整可包括改变燃料供给率。此外地或可替换地，对至少一个发动机140的调整可包括调整与每台发动机140相关的冷却系统300。例如，调整发动机控制可包括改变风扇340的速度。

此外地，所述方法可包括将至少一台发动机140的各自的调整传递给各自的机车120(步骤530)。在一实施例中，中央控制器410可将这些控制调整传递给与每节机车120相关的每台机车控制器380。可替换地，中央控制器410可将调整传递给冷却系统300，并绕过机车控制器380直接地通过风扇速度驱动器360传递到风扇340。在一实施例中，这一步骤可包括发送信号至机车控制器380来改变相应的机车120的燃料供应率。

在一实施例中，为克服第一节机车120给随后的机车120带来的空气加热效应，方法可包括减少第一节机车120的功率等级以使得随后的机车120中保持较高的冷却能力。已降低功率的机车120相对于机车组100中其他机车120的位置，对于增加机车组100中的总功率等级而不超过每节机车120中各自的冷却液温度极限可能是至关重要的。在隧道环境中，机车组100中已降低功率的机车120的位置影响到了每节随后的机车120的冷却系统300的进风温度。在此实施例中，已降低功率的机车120以3000制动马力(bhp)运行且保持其余的机车120以4400bhp运行。机车组100的牵引总功率保持在16200bhp恒定不变。以下运算是针对机车组100以大约每小时19英里(mph)进入长隧道而得出的。

为了给每节随后的机车120提供最低进风温度，已降低功率的机车120的位置可能是很关键的。如果第一节机车120是已降低功率的机车，在该变型中，所有随后的机车120的进风温度可能是最低的。当已降低功率的机车120位于除最后一节以外的其它位置时，随后的机车120的进风温度可能会更高。如果第一节机车120起初已降低功率，则可能达到最低进风温度。因此，已降低功率的机车120的位置在提高机车组总功率方面可能很重要。此外，降低机车组100中的第一节机车120的功率比降低机车组100中的最后一节机车120的功率更合适，这是由于第一节机车120影响到了所有随后的机车120。

工业适用性

本发明公开的功率控制系统和方法，特别是当机车组穿过隧道和其他封闭空间时，为控制机车组的机车组总功率提供了一种健全的方案。本发明公开的系统和方法能够监测和控制冷却系统，并且将机车组作为整体系统来控制机车组的功率，而不是在单独的机车水平上控制机车组的功率。结果是，通过降低发动机排气对环境空气温度的加热对机车组中随后的机车带来的影响，可以增加机车组的机车组总功率。

本发明公开的机车组可以具有几项优点。特别地，本发明公开的功率控制系统能够选择降低特定机车的功率，这会对机车组的机车组总功率造成最大的影响。当机车组穿过隧道时，已降低功率机车的位置是影响每节机车周围的环境空气温度的关键因素。本发明公开的系统能够基于不同的环境和机械关注点而动态地选择哪一节机车将要降低功率。

此外，本发明公开的系统能够实现对机车组的精确控制。例如，本发明公开的系统能够控制机车组中每节机车的功率等级和冷却系统。另外，本发明公开的系统能够比仅使得每节机车空转更加精确地改变功率等级。

另外，本发明公开的解决方案能够不需要隧道状况的提前预警而动态地调整功率等级。当机车组遇到未预见的隧道或难以获得机车组和任何隧道的地点数据时，这一点会特别有益。

可以对本发明公开的机车组的功率控制系统和操作机车组的功率控制系统的方法做出各种修改和变型，这对于所属领域的技术人员而言是显而易见的。从对说明书的考量和对本发明的实施的角度，本发明公开的其他实施例对于所属领域的技术人员而言是显而易见的。说明书和实施例的目的仅仅是示例性的，本发明所限定的准确范围由下文权利要求书及其等同方案所提出。

Claims (9)

1.一种用于机车组(100)的功率控制系统(400)，机车组(100)包括多节机车(120)，其中每节机车(120)具有发动机(140)，所述功率控制系统(400)包括：

多台机车控制器(380)，其中每台所述机车控制器(380)与所述发动机(140)中的一台相关联并且配置成用于监测相关联的发动机(140)的温度和功率状况；和

中央控制器(410)，所述中央控制器(410)适用于从每台机车控制器(380)接收温度和功率状况并且基于接收到的多节机车(120)的温度和功率状况为所述机车组(100)中的每台发动机(140)确定期望功率等级；

其中所述中央控制器(410)配置成用于：

给每台机车控制器(380)传递指令从而将各自的发动机(140)配置到期望功率等级；和

指令每台机车控制器(380)调整与各自的发动机(140)相关的冷却系统，从而达到期望功率等级而不超过每节机车(120)的预先确定的发动机温度阈值。

2.根据权利要求1所述的用于机车组(100)的功率控制系统，其中每台所述机车控制器(380)配置成用于确保相关联的发动机(140)的温度不会超过预先设定的发动机温度阈值。

3.根据权利要求1所述的用于机车组(100)的功率控制系统，其中所述中央控制器(410)包括与所述机车组(100)中的一台发动机(140)相关联的机车控制器(380)。

4.根据权利要求1所述的用于机车组(100)的功率控制系统，其中所述中央控制器(410)采用预先定义的模型来为所述机车组(100)中的每台发动机(140)确定期望功率等级。

5.一种用于控制机车组(100)的总功率的方法，所述机车组(100)包括多节机车(120)，每节机车(120)具有发动机(140)，所述方法包括：

接收来自每台机车(120)的中央位置功率状况和温度数据；

基于所接收的来自每节机车(120)的功率状况和温度数据，确定每台发动机(140)的期望功率等级并且调整至少一台发动机(140)至期望功率等级，以达到基于接受自每节所述机车(120)的功率状况和温度的所述功率等级；和

将至少一台发动机(140)的相应的调整传递至相应的机车(120)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述温度数据包括至少一台发动机(140)的发动机温度和至少一台发动机(140)周围的环境空气温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中为每台发动机(140)确定期望功率等级来控制机车组(100)的总功率进一步包括确保每节机车(120)的期望功率等级不会引起至少一台发动机(140)的发动机温度超过各自的机车(120)的预先确定的发动机温度阈值。

8.根据权利要求5所述的方法，其中对至少一台发动机(140)的调整包括修改所述机车组(100)中至少一个发动机(140)的燃料供给率并且改变与至少一个发动机(140)相关的风扇速度。

9.根据权利要求5所述的方法，其中为每台发动机(140)确定期望功率等级包括采用预定义的模型来控制所述机车组(100)的总功率。