CN1712687B - 用于在瞬间操作期间控制机车排烟的方法和装置 - Google Patents

用于在瞬间操作期间控制机车排烟的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于减少铁路机车在节流阀挡改变期间的排烟的方法和装置。对于某种节流阀挡提高，本发明按照某些预定参数推进发动机定时发火变化角，并且控制在新的节流阀挡位置处的负载的施加。这些策略当一起或分别被使用时最小化了在暂态运行期间的可见烟雾。

Description

用于在瞬间操作期间控制机车排烟的方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及一种用于当操作员推进机车节流阀位置时减少机车排烟的装置和方法，具体上涉及一种延迟向发动机施加负载和修改发动机定时的装置和方法。
背景技术
对美国环境法规的近期修改要求降低从机车柴油机中的所许可的排放，包括可见的烟雾。一种这样的要求是降低NOx排放，这可以通过延迟机车柴油机的燃料注入定时来实现。但是这个定时修改负面地影响燃料的消耗，因此期望提高发动机的压缩比以赢回一些燃料消耗损失。
但是，提高压缩比也增加了在部分发动机加载时的可见烟雾排放。在瞬间负载和速度改变期间、即当机车操作员推进节流阀(即将节流阀移动到较高的挡位上)以获得较高速度和/或较大的负载拉动能力(即机车马力)时，可见烟雾的问题尤其尖锐。当节流阀从较低位置开始被推进到较高的节流阀位置时，排烟趋向于更差。
在现有技术的机车中，当节流阀从一个位置被推进到下一个(其中节流阀位置通称为挡)时，被施加到牵引电机的柴油机速度和负载(或电流激励)被同时增加到新的挡位的速度和马力点。响应于挡位的改变，通过电子控制单元来控制到新的速度点的发动机加速。同时，机车控制系统向主交流发电机施加更多的激励电流，所述主交流发电机继而向牵引电机提供更多的电流，因此增加了电机马力。虽然速度和负载增加到它们新的各个点上，但是根据发动机速度来从查找表中确定注入燃料的定时。如上所述，在这些挡或暂态变化期间，产生不期望的排烟。
在现有技术的机车系统中，所述电子控制单元响应于由机车控制系统所请求的速度变化而起速度控制器的作用。在现有技术中，速度控制器当节流阀从一个挡位被改变到另一个时不接收来自节流阀的信号，因此不知道何时已经发生挡的改变；所述速度控制器仅仅知道发动机速度的需求。事实上，存在改变由牵引电机所提供的马力而不是发动机速度的多种挡设置。
发明内容
本发明可以减轻上述在节流阀挡改变(也称为暂态)期间的不期望的可见排烟，本发明涉及一种新颖的和非显而易见的装置和方法，用于控制发动机定时和负载施加，以便有益地影响在发动机暂态期间的可见烟雾排放。
根据本发明的一个实施例的教程，监控用于指示在节流阀挡设置中的增加的参数，并且向机车控制器提供表示挡增加的数据。作为响应，机车发电机被控制来向发动机施加附加的负载来作为在预定时间周期上的斜坡函数，从而当发动机响应于所增加的负载时减少来自发动机的排放。
附图说明
通过考虑优选实施例的说明和附图，可以更容易地了解本发明，并且其进一步的优点和用途将变得更为明显，其中：
图1是用于说明本发明的操作的流程图；
图2说明了根据用于限制排烟的本发明的一个实施例的发动机定时发火变化角推进斜坡函数；
图3说明了根据用于限制排烟的本发明的一个实施例的负载施加斜坡函数；
图4是与本发明相关联的机车部件的方框图。
具体实施方式
在详细说明根据本发明的特定暂态烟雾减少系统之前，应当观察到本发明主要在于与在铁路机车中的烟雾减少相关的步骤和装置的新颖组合。因此，这些硬件部件和方法步骤已经由附图中的传统元件所表示，所述附图仅仅示出了与本发明相关的那些具体细节，以便不将本公开与结构细节相混淆，所述结构细节对于已经了解了在此的说明的益处的本领域内技术人员是明显的。
图1是用于说明本发明的操作的流程图。在步骤10，检测到机车操作员将节流阀手柄向较高挡位移动。当发动机和机车操作参数改变为由新的挡位所命令的那些时，暂态操作周期随之发生。存在可以被监控来检测挡位增加的几种发动机和机车操作参数，所述挡位增加包括例如发动机速度(每分钟转数)、发动机加速度、到牵引交流发电机的激励电流、发动机马力、发动机燃料值(被注入发动机汽缸内的燃料数量)、牵引电机交流发电机输出电流和进气管气压(它被涡轮速度和由此的发动机速度所影响)。响应于一个或多个这些被监控的参数，在步骤12，机车控制系统(图1中未示出)确定已经发生了挡改变，并且向机车柴油机的激励控制器和电子控制单元(EGU)发送一个表示信号。所述激励控制器控制提供到牵引交流发电机场绕组的电流，并由此影响由牵引交流发电机向牵引电机提供的功率(即，电流)。电子控制单元控制提供到每个发电机汽缸的燃料值，并由此影响发电机速度。参见1998年10月27日发布的、共同拥有的美国专利5,826,563，以便获得激励控制器和电子控制单元的进一步的细节。
在步骤14，参考一个定时发火变化角查找表来确定用于控制在挡暂态期间推进发动机定时发火变化角的处理(其结果是限制排烟)的各种参数中的一个或多个。在步骤16，按照所述一个或多个参数来推进发动机定时发火变化角。
在一个实施例中，不立即推进所述定时发火变化角(即不是一步改变)，而是从当前或基本值向期望值斜坡式(或旋转式)地改变所述定时发火变化角。当用于确定挡改变的被监控操作参数达到稳态值时，发动机定时发火变化推进角回转到与新的挡位相关联的值。
存在可以用于定义向最后的定时发火变化推进角旋转的处理的几个参数，可以按照本发明的各种实施例来选择这些参数。一个这样的参数是转换速率(或行斜率)，它在一个实施例中是线性的并且大约为每秒10度。这个参数被图2中的附图标号32所标识。转换速率也可以遵循曲线。在另一个实施例中，所述转换速率依赖于在由机车操作员启动的改变之前的操作挡位置。
同样，旋转或斜坡的开始可以被延迟预定的时间，这由在图2中的时间t＝0和t1之间的时段所表示。旋转的持续时间也可以按照期望被选择，这由在t＝0和t2之间的间隔表示。在另一个实施例中，这些旋转参数被确定为初始挡位的函数，因此作为在初始挡位处的定时发火变化角推进(θ1)的函数，如图2中所示。这些各种旋转参数可以在查找表中被给出或者从一个或多个函数方程被计算出。在一个实施例中，可以修改旋转参数以用于机车的大高度的运行。已知由于在较高高度的较低空气密度，对于大高度运行的挡设置具有与用于传统运行的挡设置不同的与其相关联的速度。
本领域内公知，以高负载来推进发动机定时发火变化角可以引起过量的发动机汽缸压力。因此，对于在高负载条件中结束的暂态条件(即节流阀挡位改变)，定时发火变化角可以在实现全负载施加之前返回到标称值。按照本发明，其完成是通过当燃料值达到预定极限时停止定时发火变化角推进和返回到标称的定时发火变化角。这个特征是在图1的确定步骤18处完成的，其中将燃料值与预定的燃料值极限相比较。如果超过那个极限，则来自确定步骤18的结果是真的，并且处理移动到步骤20，其中定时发火变化角返回到其标称值。在步骤22，处理终止。
或者，在确定步骤18，也确定是否用于推进发动机定时的预定时段已经期满。如果结果为真，则处理也继续到步骤20，其中定时发火变化角返回到与新的挡位相关联的标称值。同样，当达到稳态条件时，发动机定时发火变化推进角返回到新的挡位的推进角。
和在步骤16处提高定时发火变化推进角一样，在此在步骤20同样不要求将定时发火变化角推进改变为阶跃函数，而是可以从当前值向新的值(它由终端挡位所确定)斜坡或旋转改变定时发火变化角。与旋转到新的推进角的这个处理相结合，可以按照期望来选择各种旋转参数(例如，转换速率、直到旋转间隔的开始为止的延迟)。例如，在一个实施例中，在步骤20处的转换速率是每秒两度。
如果来自确定步骤18的结果是否定的，则处理进行到步骤21，它仅仅指示所推进的定时发火变化角条件继续进行。
在其中一个或多个定时发火变化角推进参数(例如转换速率)依赖于最后的挡位的一个实施例中，需要表示最后挡位的操作参数。这可以从被监控的机车操作参数中确定出来，如上结合图1的步骤10所述。
返回图1，右分支说明了这样的处理，通过它，按照本发明的教程，控制与新挡位相关联的附加负载的施加，即，不可瞬时施加所述负载(这将通过使用阶跃函数来控制负载施加而实现)。一旦已经检测到挡改变并且启动暂态操作条件，如上结合步骤10所述，则在步骤26确定用于控制施加新的负载值的一个或多个参数。在步骤28，这些参数操作用于控制负载施加。一旦已经施加了在新的挡位处的满负载，则在步骤30结束负载施加控制处理。
在一个实施例中，所述操作负载施加参数是简单地将负载施加延迟预定的时间。在这个实施例中，可以从查找表来确定延迟周期。从暂态操作的开始测量，通常的延迟时间一般小于大约10秒。
在另一个实施例中，附加的负载可以作为在指示挡增加之后的预定的时间周期上、即暂态操作，的斜坡函数被施加。所述斜坡可以是在所述预定时间上的线性或曲线函数。所述预定时间周期可以基于挡改变的程度(即在初始节流阀位置和最后节流阀位置之间的挡设置的数量)。同样，可以根据挡改变的程度来延迟斜坡函数的启动(即，施加附加负载)。也可以选择旋转速率(或斜坡的斜率)，并且在一个实施例中，旋转速率是基于挡改变的程度。图3中说明了一个代表性的斜坡函数34，其中假定在t1检测到挡的增加。在其中一个或多个负载施加参数依赖于最后的挡位的实施例中，需要表示最后挡位的操作参数。这可以从被监控的机车操作参数来确定，如上结合图1的步骤10所述。
图4说明了与本发明相关联的硬件元件。由机车操作员来控制包括如上所述的挡位的节流阀40。在一个实施例中，当操作员从一个位置向另一个位置移动节流阀手柄时，用于指示那个改变的信号被提供到机车控制器42。在其他的实施例中，各种发动机和机车操作参数被监控以检测挡改变。响应于挡改变，并且按照在步骤26处确定的一个或多个负载施加延迟参数，机车控制器42控制激励控制器43，该激励控制器43继而向牵引交流发电机44提供激励电流。牵引交流发电机的输出电流被作为输入电流提供到牵引电机45，以产生与每个挡位相关联的马力。
同样，响应于节流阀挡调整的指示，机车控制器42向电子控制单元46发送对应的信号。电子控制单元46如结合图1的流程图所述那样控制发动机速度。发动机定时发火变化角响应于在步骤14处确定的定时发火变化角推进参数而被推进。
图1的流程图(包括确定与定时发火变化角推进和负载施加延迟相关联的参数)可以由诸如计算机的处理器执行。这种实现方式是本领域内公知的，事实上处理器可以被包含在图4所示的机车控制器42和电子控制单元46内。在处理器的只读存储器控制操作中和在图1的流程图的示范实施例中的指令可以在随机存取存储器中给出。图1流程图的执行包括产生输入到柴油机48和激励控制器43的控制信号，如图4所示。
在共同拥有的美国专利号6.341.596中给出了本发明的特定方面的其他细节，这里将其引入作为参考。
虽然已经参照一个优选实施例说明了本发明，本领域的技术人员会明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和可以将等同的元素替换本发明的元素。另外，可以进行修改以在不脱离本发明的必要范围的情况下将特定的情况或应用适配到本发明的教程。因此，意欲本发明不限于作为用于执行本发明所考虑的最佳方式而所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (23)

1.一种用于控制铁路机车的运行以便当发动机对增加的负载作出响应时减少在运行的负载暂态模式期间的排放的方法，所述机车包括：多个车轮；用于驱动车轮的牵引电机(45)；具有多个汽缸的柴油机(48)；连接到柴油机的发电机(44)，用于产生和向用于驱动车轮的牵引电机提供电源；节流阀(40)，用于控制机车的运行，其中节流阀(40)通过离散的节流阀挡设置来移动，以便利用与在发电机(44)处产生的电功率的唯一等级相对应的每个挡设置以及利用与所产生的电功率的较高等级相对应的较高的挡设置，来控制所产生的电功率的等级和施加到发动机的最终负载，其中在机车的运行期间，操作员将挡设置从初始的挡设置起开始提高，以便利用施加到发动机的负载中的最终增加来产生更多的电功率，所述方法包括：
监控用于指示在节流阀挡设置中的增加的参数；
向机车控制器(42)发送用于表示在挡设置中的增加的数据；
响应于用于表示在挡设置中的增加的数据而经由机车控制器(42)来控制发电机(44)的运行，以控制作为在增加挡设置后的预定时间周期上的斜坡函数(34)的在发动机上的附加负载的施加，从而减少当发动机响应于增加的负载时来自发动机的排放。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜坡函数(34)在所述预定时间周期上是线性的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜坡函数(34)在所述预定时间周期上是曲线的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定时间的数量是至少部分地基于挡设置中的初始挡设置和增加程度之一或两者的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜坡函数的开始在挡设置中的增加之后被延迟一个延迟周期。
6.根据权利要求1所述的方法，其中斜坡函数(34)的负载增加速率是至少部分地基于挡设置的初始挡设置和增加程度之一或更多。
7.根据权利要求1所述的方法，其中从下列项目中选择用于指示挡改变的参数，所述下列项目为：发动机速度、发动机加速度、激励电流、发动机马力、发动机燃料值、牵引交流发电机输出电流和进气管气压。
8.一种用于控制铁路机车的运行以便当发动机响应于增加的负载时减少在运行的负载暂态模式期间的排放的方法，所述机车包括：多个车轮；用于驱动车轮的牵引电机(45)；具有多个汽缸的柴油机(48)；连接到柴油机的发电机(44)，用于产生和向用于驱动车轮的牵引电机提供电源；节流阀(40)，用于控制机车的运行，其中节流阀(40)通过离散的节流阀挡设置来移动，以便利用与在发电机(44)处所产生的发动机运行的命令速度和电功率的唯一等级相对应的每个挡设置以及利用与所产生的电功率的较高等级相对应的较高的挡设置，来控制所产生的电功率的等级和施加到发动机的最终负载，其中在机车的运行期间，操作员将挡设置从初始的挡设置起开始提高，以便利用施加到发动机的负载中的最终增加来产生更多的电功率，所述方法包括：
监控用于指示与在节流阀挡设置中的增加相对应的所命令的发动机(48)运行速度的参数；
发送用于表示所命令的发动机的运行速度的数据；
监控用于指示发动机的实际运行速度的参数；
发送用于表示发动机的实际运行速度的数据；
检测何时所命令的运行速度超过运行的实际速度，以便建立运行的负载暂态模式；
向机车控制器发送用于指示运行的负载暂态模式的数据；以及
响应于用于指示负载暂态模式的数据而经由机车控制器来控制发电机(44)的运行，以便控制作为在预定的时间周期上的斜坡函数(34)的向发动机的附加负载的施加，从而减少当发动机响应于增加的负载时来自发动机的排放。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述预定时间的数量是至少部分地基于在实际的和所命令的运行速度之间的差别的。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述斜坡函数的开始在检测到何时所命令的运行速度超过实际的运行速度之后被延迟一个延迟时间。
11.一种用于控制铁路机车的运行以便当发动机响应于速度增加命令时减少在运行的负载暂态模式期间的排放的方法，所述机车包括：多个车轮；用于驱动车轮的牵引电机(45)；柴油机(48)，具有多个汽缸，并且有时在推进发动机定时发火变化角处进行工作；连接到柴油机(48)的发电机(44)，用于产生和向用于驱动车轮的牵引电机(45)提供电源；节流阀(40)，用于控制机车的运行，其中节流阀(40)通过离散的节流阀挡设置来移动，以便利用与所命令的发动机速度相对应的每个挡设置以及利用与较高的所命令的发动机速度相对应的较高的节流阀挡设置，来控制发动机速度，其中在机车的运行期间，操作员将挡设置从初始的挡设置起开始增加，以便增加发动机速度，所述方法包括：
监控用于指示在节流阀挡设置中的增加的参数；
向发动机控制器发送用于表示在挡设置中的增加的数据；
响应于用于表示挡设置中的增加的数据而经由发动机控制器来控制柴油机(48)的运行，以改变作为在增加挡设置后的预定时间周期上的斜坡函数(32)的发动机定时发火变化推进角，从而减少当发动机响应于所命令的速度增加时来自发动机的排放，
其中所述斜坡函数(32)在所述预定时间周期上是曲线性的。
12.一种用于控制铁路机车的运行以便当发动机响应于速度增加命令时减少在运行的负载暂态模式期间的排放的方法，所述机车包括：多个车轮；用于驱动车轮的牵引电机(45)；柴油机(48)，具有多个汽缸，并且有时在推进发动机定时发火变化角处进行工作；连接到柴油机(48)的发电机(44)，用于产生和向用于驱动车轮的牵引电机(45)提供电源；节流阀(40)，用于控制机车的运行，其中节流阀(40)通过离散的节流阀挡设置来移动，以便利用与所命令的发动机速度相对应的每个挡设置以及利用与较高的所命令的发动机速度相对应的较高的节流阀挡设置，来控制发动机速度，其中在机车的运行期间，操作员将挡设置从初始的挡设置起开始增加，以便增加发动机速度，所述方法包括：
监控用于指示在节流阀挡设置中的增加的参数；
向发动机控制器发送用于表示在挡设置中的增加的数据；
响应于用于表示挡设置中的增加的数据而经由发动机控制器来控制柴油机(48)的运行，以改变作为在增加挡设置后的预定时间周期上的斜坡函数(32)的发动机定时发火变化推进角，从而减少当发动机响应于所命令的速度增加时来自发动机的排放，
其中所述斜坡函数(32)在所述预定的时间周期上是线性的。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述预定时间的数量是至少部分地基于在挡设置中的初始挡设置和增加程度之一或两者的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述斜坡函数(32)的开始在增加挡设置之后被延迟一个延迟时间。
15.根据权利要求11所述的方法，其中斜坡函数的推进定时发火变化角增加的速率是至少部分地基于在挡设置中的初始挡设置和增加程度之一或两者。
16.根据权利要求11所述的方法，其中从发动机速度、发动机加速度、激励电流、发动机马力、发动机燃料值、牵引交流发电机输出电流和进气管气压之中选择用于指示挡改变的参数。
17.一种用于控制铁路机车的运行以便当发动机响应于增加的负载时减少在运行的暂态模式期间的排放的方法，所述机车包括：多个车轮；用于驱动车轮的牵引电机(45)；具有多个汽缸的柴油机(48)；连接到柴油机(48)的发电机(44)，用于产生和向用于驱动车轮的牵引电机(45)提供电源；节流阀(40)，用于控制机车的运行，其中节流阀(40)通过离散的节流阀挡设置来移动，以便利用与所命令的发动机速度和在发电机(44)处所产生的电功率的预定等级相对应的每个挡设置和与所产生的电功率的较高等级相对应的较高的挡设置，来控制发动机速度和所产生的电功率的等级和施加到发动机上的最终负载，其中在机车的运行期间，操作员增加挡设置，以便利用施加到发动机的负载中的最终增加来产生更多的电功率，所述方法包括：
监控用于指示与节流阀挡设置相对应的所命令的发动机速度的参数；
发送用于表示所命令的发动机速度的数据；
监控用于指示实际的发动机速度的参数；
发送用于表示实际的发动机速度的数据；
检测何时所命令的发动机速度超过实际的发动机速度以建立运行的暂态模式；
向机车控制器发送用于指示运行的暂态模式的数据；以及
响应于用于表示暂态模式的数据而经由发动机控制器来控制柴油机(48)的运行，以便改变作为在预定时间周期上的斜坡函数(32)的发动机定时发火变化推进角，从而减少当发动机响应于所命令的速度增加时来自发动机的排放。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述预定时间的数量是至少部分地基于在实际的和所命令的发动机速度之间的差别的。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述斜坡函数(32)的开始在检测到何时所命令的发动机速度超过实际的发动机速度之后被延迟一个延迟时间。
20.根据权利要求17所述的方法，其中斜坡函数的负载增加速率是至少部分地基于在实际的和所命令的发动机速度之间的差别的。
21.根据权利要求17所述的方法，还包括：当实际的发动机速度大致等于所命令的发动机速度时经由发动机控制器来控制柴油机的运行，以便将作为斜坡函数的发动机定时发火变化推进角改变为与所命令的发动机速度相关联的推进角。
22.一种用于控制铁路机车的运行以便当发动机响应于增加的负载时减少在运行的暂态模式期间的排放的装置，所述机车包括：多个车轮；用于驱动车轮的牵引电机(45)；具有多个汽缸的柴油机；连接到柴油机(48)的发电机(44)，用于产生和向用于驱动车轮的牵引电机(45)提供电源；节流阀(40)，用于控制机车的运行，其中该节流阀通过离散的节流阀挡设置来移动，以便利用与在发电机(44)处所产生的电功率的唯一等级相对应的每个挡设置和与所产生的电功率的较高等级相对应的较高的挡设置，来控制所产生的电功率的等级和施加到发动机(48)上的最终负载，其中在机车的运行期间，操作员增加挡设置，以便利用施加到发动机的负载中的最终增加来产生更多的电功率，所述装置包括：
机车控制器(42)，用于监控用于指示在节流阀挡设置中的增加的参数；
激励控制器(43)，响应于机车控制器(42)，用于响应于在挡设置中的增加而控制发电机(44)的运行，以便控制作为在增加挡设置后的预定时间周期上的斜坡函数(34)的在发动机(48)上的附加负载的施加，从而减少当发动机响应于增加的负载时来自发动机(48)的排放。
23.一种用于控制铁路机车的运行以便当发动机响应于速度增加命令时减少在运行的暂态模式期间的排放的装置，所述机车包括：多个车轮；用于驱动车轮的牵引电机(45)；柴油机(48)，具有多个汽缸，并且有时通过推进发动机定时发火变化角来进行运行；连接到柴油机(48)的发电机(44)，用于产生和向用于驱动车轮的牵引电机(45)提供电源；节流阀(40)，用于控制机车的运行，其中该节流阀通过离散的节流阀挡设置来移动，以便利用与所命令的发动机速度相对应的每个挡设置和与较高的所命令的发动机速度相对应的较高的节流阀挡设置，来控制发动机速度，其中在机车的运行期间，操作员将挡设置从初始的挡设置起开始增加，以便增加发动机速度，所述装置包括：
机车控制器(42)，用于监控用于指示在节流阀挡设置中的增加的参数；以及
激励控制器(43)，响应于机车控制器，用于响应于挡设置中的增加而控制柴油机(48)的运行，以便改变作为在增加挡设置后的预定时间周期上的斜坡函数(32)的发动机定时发火变化推进角，从而减少当发动机响应于所命令的速度增加时来自发动机(48)的排放，
其中所述斜坡函数(32)在所述预定时间周期上是曲线性的。
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