DE112012003847T5

DE112012003847T5 - Systeme und Verfahren für eine Motordiagnose

Info

Publication number: DE112012003847T5
Application number: DE112012003847.9T
Authority: DE
Inventors: Arijit Banerjee; Ajith Kuttannair Kumar; Somakumar Ramachandrapanicker; Paul Lloyd Flynn; Rupam Mukherjee; Srilatha Boyanapally; Arvind Kumar Tiwari
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Transportation IP Holdings LLC
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-07-03
Also published as: AU2012308951A1; EA201490441A1; ZA201402389B; CN103797232B; DE112012003854T5; JP2014526874A; AU2012308951B2; AU2012308952A1; US20130073175A1; JP6302406B2; EA027107B1; EA028949B1; CN103827468A; AU2012308955B2; JP2020097938A; US8626372B2; EA031509B1; CN103797232A; US20180313277A1; US20130073127A1

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme für einen Motor (110) geschaffen. Ein Zustand des Motors (110) kann auf Basis von Informationen diagnostiziert werden, die durch Signale (170) von einem Generator (120), der betriebsmäßig mit dem Motor (110) verbunden ist, und/oder anderen Signalen (160, 162), die mit dem Motor (110) assoziiert sind, ausgegeben werden. Es können verschiedene Arten von Funktionsverschlechterungen auf Basis der Unterscheidung von Kennwerten innerhalb der Informationen unterschieden werden. Somit kann eine nicht mehr voll funktionsfähige Motorkomponente (110) auf eine Weise identifiziert werden, die eine durch Wartung verursachte Verzögerung verringert.

Description

GEBIET
Ausführungsformen des hierin offenbarten Gegenstands betreffen Systeme und Verfahren für eine Motordiagnose.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Komponenten von Verbrennungskraftmaschinen bzw. Motoren können während des Betriebs auf verschiedene Arten an Funktionsfähigkeit einbüßen. Zum Beispiel kann ein Motorzylinder in einem Motor aufgrund einer verschlissenen Zündkerze an Zündfähigkeit einbüßen. Eine Methode zur Erkennung einer Funktionsverschlechterung des Motors ist die Überwachung der Motordrehzahl. Diagnoseroutinen ermöglichen eine Überwachung, ob Komponenten der Motordrehzahl über einen Schwellenwert steigen, und die Erzeugung von Diagnose-Codes oder anderen Hinweisen, die eine Wartung, eine Herabsetzung der Motorleistung oder ein Abstellen des Motors verlangen. Jedoch haben die Erfinder erkannt, dass die Analyse der Motordrehzahl häufig inadäquat ist, um ein Motorproblem zu diagnostizieren.
KURZE BESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Motor, der betriebsmäßig mit einem Generator verbunden ist, geschaffen. Das Verfahren beinhaltet das Messen mindestens eines mit dem Generator assoziierten Parameters während des Betriebs, das Ermitteln eines Drehmomentprofils, das mit dem Generator assoziiert ist, auf Basis des gemessenen Parameters, und das Diagnostizieren eines Zustands des Motors auf Basis eines Frequenzinhalts des ermittelten Drehmomentprofils.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Motor, der betriebsmäßig mit einem Generator verbunden ist, geschaffen. Das Verfahren beinhaltet das Messen mindestens eines mit dem Generator assoziierten Parameters während des Betriebs, das Ermitteln eines Drehmomentprofils, das mit dem Generator assoziiert ist, auf Basis des gemessenen Parameters, und das Unterscheiden zwischen verschiedenen Arten von Funktionsverschlechterungen des Motors auf Basis eines Frequenzinhalts des ermittelten Drehmomentprofils.
In einer Ausführungsform wird ein Fahrzeugsystem geschaffen. Das Fahrzeugsystem beinhaltet eine Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Motor, einen Generator, der betriebsmäßig mit dem Motor verbunden ist, mindestens einen Sensor zum Messen mindestens eines Parameters, der mit dem Generator assoziiert ist, während des Betriebs, und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung beinhaltet Befehle, die dafür ausgelegt sind, den gemessenen Parameter abzutasten und in ein Drehmomentprofil umzuwandeln, einen Frequenzinhalt des Drehmomentprofils zu identifizieren und einen Zustand des Motors auf Basis des Frequenzinhalts des Drehmomentprofils zu diagnostizieren.
In einer Ausführungsform wird ein Test-Kit geschaffen. Das Test-Kit beinhaltet eine Steuereinrichtung, die dazu dient, auf Basis eines Frequenzinhalts eines Drehmomentprofils, das aus Messungen von Parametern eines betriebsmäßig mit dem Motor verbundenen Generators abgeleitet wird, einen Zustand des Motors zu ermitteln.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Motor, der betriebsmäßig mit einem Generator verbunden ist, geschaffen. Das Verfahren beinhaltet das Messen eines elektrischen Parameters, der mit dem Generator assoziiert ist, während des Betriebs und das Diagnostizieren eines Zustands des Motors auf Basis eines Frequenzinhalts des gemessenen elektrischen Parameters.
In einer Ausführungsform wird ein Fahrzeugsystem geschaffen. Das Fahrzeugsystem beinhaltet eine Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Motor, einen Generator, der betriebsmäßig mit dem Motor verbunden ist, einen Sensor zum Messen eines elektrischen Parameters, der mit dem Generator assoziiert ist, während des Betriebs und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung beinhaltet Befehle, die dafür ausgelegt sind, den gemessenen elektrischen Parameter abzutasten, einen Frequenzinhalt des Drehmomentprofils zu identifizieren und einen Zustand des Motors auf Basis des Frequenzinhalts des gemessenen elektrischen Parameters zu diagnostizieren.
In einer Ausführungsform wird ein Test-Kit geschaffen. Das Test-Kit beinhaltet eine Steuereinrichtung, die dazu dient, einen Zustand des Motors auf Basis eines Frequenzinhalts eines Profils eines elektrischen Parameters zu erkennen, welcher mit einem Generator assoziiert ist, der betriebsmäßig mit dem Motor verbunden ist.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Motor geschaffen, der betriebsmäßig mit einem Generator verbunden ist. Das Verfahren beinhaltet das Messen eines mit dem Generator assoziierten elektrischen Parameters während des Betriebs im Zeitverlauf, das Ermitteln eines Frequenzinhalts des gemessenen elektrischen Parameters und das Rekonstruieren eines Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofils aus mindestens einem Teil des Frequenzinhalts, wobei das Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofil proportional ist zu einem elektromagnetischen Drehmoment des Generators.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Motor, der betriebsmäßig mit einem Generator verbunden ist, geschaffen. Das Verfahren beinhaltet das Messen mindestens eines Parameters, der mit dem Motor assoziiert ist, das Messen mindestens eines Parameters, der mit dem Generator assoziiert ist, und das Diagnostizieren eines Zustand des Motors auf Basis der gemessenen Parameter.
Diese kurze Beschreibung dient als vereinfachte Einführung einer Auswahl von Entwürfen, die hierin näher beschrieben werden. Diese kurze Beschreibung ist nicht dazu gedacht, die wichtigsten Merkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu benennen, und sie soll auch nicht dazu verwendet werden, den Bereich des beanspruchten Gegenstands einzugrenzen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, welche die Probleme, die in irgendeinem Teil der Offenbarung angegeben sind, zum Teil oder vollständig lösen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung erschließt sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung nicht-beschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, worin nachstehend:
1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Fahrzeugsystem (z. B. ein Lokomotivensystem) ist, das einen Motor und einen Generator (Wechselstromgenerator) aufweist und das hierin als Schienenfahrzeug dargestellt ist, welches dafür ausgelegt ist, über eine Mehrzahl von Rädern auf einer Schiene zu fahren;
2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den Motor und den Generator von 1 ist, die betriebsmäßig mit verschiedenen Zusatzeinrichtungen 140 und elektrischen Antriebsmotoren verbunden sind
3 eine Darstellung von Ausführungsbeispielen dafür ist, wie ein Frequenzinhalt aus einem in Abhängigkeit von der Zeit abgerufenen Generatorparameter erzeugt wird;
4 eine Darstellung ist, die Ausführungsbeispiele für „gesunden” und „ungesunden” Frequenzinhalt zeigt;
5 eine Darstellung für ein Ausführungsbeispiel dafür ist, wie eine Diagnoselogik in der Steuereinrichtung die Erkennung eines ungesunden Zustands im Frequenzinhalt eines Generatorparameters ermöglicht;
6 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels dafür ist, wie ein Drehmomentprofil aus abgerufenen Generatorparametetern erzeugt wird;
7 eine Darstellung von Ausführungsbeispielen dafür ist, wie ein Frequenzinhalt aus einem Zeitdomänen-Drehmomentprofil erzeugt wird; und
8 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels dafür ist, wie ein Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofil aus einem Frequenzinhalt eines gemessenen elektrischen Parameters eines Generators rekonstruiert wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen des hierin offenbarten Gegenstands betreffen Systeme und Verfahren für eine Motordiagnose. Es werden auch Test-Kits für die Durchführung der Verfahren geschaffen. Der Motor kann in einem Fahrzeug enthalten sein, beispielsweise einem Lokomotivensystem. Andere geeignete Arten von Fahrzeugen können für die Straße ausgelegte Fahrzeuge, Geländefahrzeuge, Bergbauausrüstung, Luftfahrzeuge und Wasserfahrzeuge sein. Andere Ausführungsformen der Erfindung können für stationäre Maschinen, wie Windturbinen oder Stromaggregate, verwendet werden. Bei dem Motor kann es sich um einen Dieselmotor handeln, oder er kann einen anderen Kraftstoff oder eine Kombination von Kraftstoffen verbrennen. Diese alternativen Kraftstoffe können z. B. Benzin, Kerosin, Biodiesel, Erdgas und Ethanol sowie Kombinationen davon einschließen. Geeignete Motoren können über eine Kompressionszündung oder eine Fremdzündung verfügen. Diese Fahrzeuge können einen Motor mit Komponenten beinhalten, die gebrauchsbedingt verschleißen.
Ferner können für Ausführungsformen des hierin offenbarten Gegenstands Generatordaten verwendet werden, beispielsweise gemessene elektrische Generatorparameter oder Generatordaten (z. B. ein abgeleitetes Drehmomentprofil), die von gemessenen elektrischen Generatorparametern und/oder Motorparametern (z. B. der Drehzahl) abgeleitet sind, um Zustände eines Motors oder einer Zusatzeinrichtung zu diagnostizieren und um zwischen Zuständen und zugehörigen Motorkomponenten und Zusatzeinrichtung zu unterscheiden.
Ein Motor kann in einen bestimmten Betriebszustand oder -modus versetzt werden, wenn nach bestimmten Arten von Funktionsverschlechterungen des Motors gesucht wird. Zum Beispiel kann der Motor unter Self-Load-Bedingungen als Teil eines Prüfverfahrens, unter Bedingungen einer Widerstandsbremsen(db)-Einrichtung oder unter Bedingungen einer Dauerzustandsüberwachung diagnostiziert werden. Die hierin erörterten diagnostischen und prognostischen Verfahren ermöglichen das Verfolgen von Trends, das Vergleichen von Abweichungen von Zylinder zu Zylinder, das Durchführen von Prüfverfahren und das Bestätigen von Reparaturaufträgen und sie erleichtern die Reparatur. Alternativ dazu können Generator- und/oder Motordaten abgerufen und analysiert werden, wenn der Motor während eines Normalbetriebs unter bestimmten Bedingungen oder in einem bestimmten Zustand betrieben wird.
1 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Fahrzeugsystem 100 (z. B. ein Lokomotivensystem), das hierin als Schienenfahrzeug 106 dargestellt ist, welches dafür ausgelegt ist, über eine Mehrzahl von Rädern 108 auf einer Schiene 102 zu fahren. Wie dargestellt, weist das Schienenfahrzeug 106 einen Motor 110 auf, der betriebsmäßig mit einem Generator (Wechselstromgenerator) 120 verbunden ist. Das Fahrzeug 106 weist außerdem elektrische Antriebsmotoren 130 auf, die betriebsmäßig mit dem Generator 120 verbunden sind, um die Räder 108 anzutreiben.
Das Fahrzeug 106 weist ferner verschiedene Zusatzsysteme oder -einrichtungen 140 auf, die betriebsmäßig mit dem Generator 120 oder dem Motor 110 verbunden sind (z. B. die drehfähige Motorwelle 111, siehe 2), um verschiedene Funktionen auszuführen. Das Fahrzeug 106 weist ferner eine Steuereinrichtung 150 auf, um verschiedene Komponenten in Bezug auf das Fahrzeugsystem 100 zu steuern. In einem Beispiel weist die Steuereinrichtung 150 ein Computer-Steuersystem auf. In einer Ausführungsform basiert das Computer-Steuersystem weitgehend auf Software und weist einen Prozessor auf, beispielsweise den Prozessor 152, der so ausgelegt ist, dass er Befehle ausführt, die von einem Computer getätigt werden können. Die Steuereinrichtung 150 kann mehrere Steuereinheiten (ECU) für den Motor beinhalten, und das Steuersystem kann auf die einzelnen ECUs verteilt sein. Die Steuereinrichtung 150 weist ferner computerlesbare Speichermedien auf, beispielsweise einen Speicher 154, die Befehle (z. B. computerausführbare Befehle) enthalten, um eine On-Board-Überwachung und -Steuerung des Betriebs des Schienenfahrzeugs zu ermöglichen. Der Speicher 154 kann flüchtigen und nicht-flüchtigen Arbeitsspeicher beinhalten. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Steuereinrichtung auf Hardware basieren und beispielsweise digitale Signalprozessoren (DSPs) oder andere Hardware-Logikschaltungen verwenden, um die verschiedenen hierin beschriebenen Funktionen auszuführen.
Die Steuereinrichtung kann die Steuerung und Kontrolle des Fahrzeugsystems 100 leiten. Die Steuereinrichtung kann ein Signal von einem Drehzahlsensor 160 des Motors oder von verschiedenen Generatorsensoren 170 empfangen, um Betriebsparameter und Betriebsbedingungen zu erkennen und dementsprechend verschiedene Stellglieder 162 des Motors zu justieren, um den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 zu steuern. Gemäß einer Ausführungsform weist der Drehzahlsensor ein mit der Motorwelle 111 verbundenes mehrzähniges Abnehmerrad und einen Reluktanzsensor auf, um zu erfassen, wann ein Zahn des Abnehmerrads am Reluktanzsensor vorbeigeht. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung von verschiedenen Generatorsensoren Signale empfangen, die verschiedene Generatorparameter darstellen. Beispiele für die Generatorparameter sind eine Zwischenkreis-Gleichspannung, ein Zwischenkreis-Gleichstrom, eine Generatorfeldspannung, ein Generatorfeldstrom, eine Generatorausgangsspannung und ein Generatorausgangsstrom. Auch andere Generatorparameter sind gemäß verschiedenen Ausführungsformen möglich. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung das Fahrzeugsystem dadurch steuern, dass sie Befehle an verschiedene Komponenten, wie Antriebsmotoren, Wechselstromgenerator, Zylinderventile, Drosselklappe usw. sendet. Signale von den Generatorsensoren 170 können in einen oder mehrere Kabelbäume gebündelt werden, um Platz, der im Fahrzeugsystem 100 von der Verdrahtung belegt wird, zu verkleinern, und um die Signaldrähte vor Abrieb und Vibration zu schützen.
Die Steuereinrichtung kann elektronische On-Board-Diagnoseeinrichtungen beinhalten, um Betriebskennwerte des Motors aufzuzeichnen. Betriebskennwerte können beispielsweise Messwerte von Sensoren 160 und 170 beinhalten. In einer Ausführungsform können die Betriebskennwerte in einer Datenbank im Speicher 154 gespeichert werden. In einer Ausführungsform können aktuelle Betriebskennwerte mit früheren Betriebskennwerten verglichen werden, um erkennen zu können, welchem Trend die Motorleistung folgt.
Die Steuereinrichtung kann elektronische On-Board-Diagnoseeinrichtungen aufweisen, um potentielle Funktionsverschlechterungen und Ausfälle von Komponenten im Fahrzeugsystem 100 zu identifizieren und aufzuzeichnen. Wenn beispielsweise eine potentiell nicht mehr voll funktionsfähige Komponente identifiziert wird, kann ein Diagnose-Code im Speicher 154 gespeichert werden. In einer Ausführungsform kann jeder Art von Funktionsverschlechterung, die von der Steuereinrichtung identifiziert werden kann, ein eindeutiger Diagnose-Code entsprechen. Zum Beispiel kann ein erster Diagnose-Code ein Problem mit einem Zylinder 1 des Motors anzeigen, ein zweiter Diagnose-Code kann ein Problem mit einem Zylinder 2 des Motors anzeigen, ein dritter Diagnose-Code kann ein Problem mit einem der Zusatzsysteme anzeigen, usw.
Die Steuereinrichtung kann ferner mit einer Anzeige 180 verbunden sein, beispielsweise einer Anzeige einer Diagnoseschnittstelle, die eine Benutzeroberfläche für das Team, das die Lokomotive bedient, und für ein Wartungs-Team bereitstellt. Die Steuereinrichtung kann den Motor ansprechend auf eine Bedienereingabe über Anwendereingabesteuerungen 182 durch Senden eines Befehls zum entsprechenden Justieren verschiedener Stellglieder 162 des Motors steuern. Nicht-beschränkende Beispiele für Anwendereingabesteuerungen 182 können eine Drosselsteuerung bzw. einen Gashebel, eine Bremssteuerung bzw. einen Bremshebel, eine Tastatur und einen Netzschalter beinhalten. Ferner können Betriebskennwerte des Motors und der Zusatzeinrichtungen, beispielsweise Diagnose-Codes, die nicht mehr voll funktionsfähigen Komponenten entsprechen, über eine Anzeige 180 an das Bedienungs- und/oder Wartungs-Team gemeldet werden.
Das Fahrzeugsystem kann ein Kommunikationssystem 190 aufweisen, das mit der Steuereinrichtung verbunden ist. In einer Ausführungsform kann das Kommunikationssystem 190 ein Funkgerät und eine Antenne beinhalten, um Sprach- und Datennachrichten zu senden und zu empfangen. Zum Beispiel können Daten zwischen dem Fahrzeugsystem und einer Eisenbahnleitstelle, einer anderen Lokomotive, einem Satelliten und/oder einer an der Strecke befindlichen Vorrichtung, beispielsweise einer Weiche, stattfinden. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung geografische Koordinaten des Fahrzeugsystems unter Verwendung von Signalen von einem GPS-Empfänger bestimmen. Als weiteres Beispiel kann die Steuereinrichtung Betriebskennwerte des Motors und/oder der Zusatzeinrichtungen über eine Meldung, die vom Kommunikationssystem 190 gesendet wird, an das Stellwerk senden. In einer Ausführungsform kann eine Meldung vom Kommunikationssystem 190 an das Stellwerk gesendet werden, wenn eine nicht mehr voll funktionsfähige Komponente des Motors oder der Zusatzeinrichtung erkannt worden ist, und für das Fahrzeugsystem kann eine Wartung angesetzt werden.
2 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Motors 110 und des Generators 120 von 1, die betriebsmäßig mit verschiedenartigen Zusatzeinrichtungen 140 (141, 142, 143, 144) und Antriebsmotoren 130 verbunden sind. Verschiedene Arten von mechanischen Zusatzeinrichtungen 144 können betriebsmäßig mit der rotierenden Motorwelle 111 verkoppelt sein und von dieser angetrieben werden. Andere Zusatzeinrichtungen 140 werden vom Generator 120 über einen Gleichrichter 210 angetrieben, der eine Zwischenkreis-Gleichspannung erzeugt, um Regler 230 mit Leistung zu versorgen. Beispiele für solche Zusatzeinrichtung sind unter anderem ein Gebläse 141, ein Kompressor 142 und ein Lüftungsventilator 143. Die Antriebsmotoren 130 werden vom Generator 120 über den Gleichrichter 210 angetrieben, der eine Zwischenkreis-Gleichspannung für einen Wechselrichter 220 erzeugt. Solche Zusatzeinrichtungen 140, Antriebsmotoren 130 und ihre praktischen Umsetzungen sind in der Technik bekannt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann der Generator 120 eigentlich aus einem oder mehreren Generatoren bestehen, beispielsweise einem Hauptgenerator zum Antreiben der Antriebsmotoren 130 und einem Hilfsgenerator zum Antreiben eines Teils der Zusatzeinrichtungen 140. Weitere Beispiele für Zusatzeinrichtungen sind unter anderem Lader, Pumpen und Motorkühlsysteme.
Der Drehzahlsensor 160 misst die Geschwindigkeit der rotierenden Motorwelle 111 während des Betriebs. Der Zwischenkreis-Gleichstrom-/Gleichspannungssensor 171 ist ein Generatorsensor und ist in der Lage, gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Zwischenkreis-Gleichspannung, den Zwischenkreis-Gleichstrom oder beide zu messen. Der Feldsensor 172 ist ein Generatorsensor und kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen einen Feldstrom des Generators, eine Feldspannung des Generators oder beide messen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind Generatorsensoren 173 und 174 vorgesehen, um den Strom bzw. die Spannung zu messen, der bzw. die vom Anker des Generators ausgegeben wird. Geeignete im Handel erhältliche Sensoren können auf Basis von anwendungsspezifischen Parametern ausgewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Frequenzinhalt eines Generatorparameters verwendet, um einen Zustand des Motors zu diagnostizieren. 3 ist eine Darstellung von Ausführungsbeispielen dafür, wie ein Frequenzinhalt aus einem zeitabhängig abgerufenen Generatorparameter erzeugt wird. Ein Generatorparameter (z. B. die Zwischenkreis-Gleichspannung) wird unter Verwendung des Zwischenkreis-Gleichspannungssensors 171 gemessen und an die Steuereinrichtung 150 gesendet. Stattdessen können auch andere Generatorparameter verwendet werden, unter anderem der Zwischenkreis-Gleichstrom, die Generatorfeldspannung, der Generatorfeldstrom, die Generatorausgangsspannung und der Generatorausgangsstrom. Die Steuereinrichtung 150 ruft den Generatorparameter im Zeitverlauf ab und führt eine Frequenzanalyseverarbeitung der Generatorparameterdaten durch. Gemäß einer Ausführungsform ist die Frequenzanalyseverarbeitung ein Fourier-Transformierungsverfahren 310 (z. B. ein Fast-Fourier-Transformierungs-, FFT-Verfahren). Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Frequenzanalyseverarbeitung ein Bandpassfilterverfahren 320. Durch die Frequenzanalyseverarbeitung wird der abgerufene Zeitdomänen-Generatorparameter in Frequenzinhalt in der Frequenzdomäne transformiert. Beispiele für die verschiedenen Frequenzkomponenten des Frequenzinhalts sind Grundfrequenzkomponenten (Komponenten erster Ordnung) und harmonische Frequenzkomponenten (Komponenten zweiter Ordnung, halber Ordnung, dritter Ordnung usw.). Gemäß einer Ausführungsform beinhalten das Fourier-Transformationsverfahren und das Bandpassfilterverfahren computerausführbare Befehle, die vom Prozessor 152 ausgeführt werden. Die Frequenztransformation kann an verarbeiteten/abgeleiteten Signalen durchgeführt werden, wie beispielsweise Kilovolt-Amp. (kVA) oder Kilowatt (kW), die das Produkt von Strom und Spannung sind, oder dem Drehmoment, bei dem es sich um die kW/Frequenz des Signals handelt.
Zum Beispiel kann der Motor eine Mehrzahl von Zylindern aufweisen, die in einer vorgegebenen Reihenfolge zünden, wobei jeder Zylinder genau einmal während eines Viertakt- oder Zweitaktzyklus zündet. Zum Beispiel kann ein Vierzylinder-/Viertaktmotor eine Zündfolge 1-3-4-2 haben, wo jeder Zylinder genau einmal pro zwei Umdrehungen des Motors zündet. Somit ist die Zündfrequenz eines bestimmten Zylinders die halbe Frequenz der Motorumdrehung, und die Zündfrequenz aller Zylinder ist die doppelte Frequenz der Motorumdrehung. Die Umdrehungsfrequenz des Motors kann als die erste Motorordnung beschrieben werden. Eine solche Frequenzkomponente erster Ordnung kann sich im Frequenzinhalt des gemessenen Generatorparameters zeigen. Die Zündfrequenz eines bestimmten Zylinders eines Viertaktmotors kann als die halbe Motorordnung beschrieben werden, wobei die halbe Motorordnung die halbe Frequenz der Umdrehung des Motors ist. Eine solche Frequenzkomponente halber Ordnung kann sich im Frequenzinhalt des gemessenen Generatorparameters zeigen.
Als weiteres Beispiel für einen Viertaktmotor kann ein Zwölfzylindermotor eine Zündfolge 1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10 haben, wo jeder Zylinder genau einmal pro zwei Umdrehungen des Motors zündet. Somit ist die Zündfrequenz eines bestimmten Zylinders die halbe Frequenz der Motorumdrehung, und die Zündfrequenz aller Zylinder ist die sechsfache Frequenz der Motorumdrehung. Als weiteres Beispiel für einen Zweitaktmotor kann ein Zwölfzylindermotor eine Zündfolge 1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10 haben, wo jeder Zylinder genau einmal pro Umdrehung des Motors zündet. Somit ist die Zündfrequenz eines bestimmten Zylinders die Frequenz der Motorumdrehung, und die Zündfrequenz aller Zylinder ist die zwölffache Frequenz der Motorumdrehung. Wiederum können sich diese Frequenzkomponenten im Frequenzinhalt des gemessenen Generatorparameters zeigen.
Zum Beispiel kann der Motor ein Viertaktmotor sein, der mit 1050 UpM arbeitet. Somit ist die erste Motorordnung 17,5 Hz, und die halbe Motorordnung ist 8,75 Hz. Die Zwischenkreis-Gleichspannung kann sich mit einer periodischen Frequenz verändern, wenn sich die Motorwelle 111 während des Betriebs dreht. Zum Beispiel kann der Frequenzinhalt der Zwischenkreis-Gleichspannung eine Frequenzkomponente mit der Frequenz der ersten Motorordnung sein. Anders ausgedrückt kann der obere Spitzenwert des Frequenzinhalts bei der Frequenzkomponente erster Ordnung auftreten. Die Zwischenkreis-Gleichspannung kann auch einen Frequenzinhalt bei anderen Harmonischen der Frequenz erster Ordnung enthalten, beispielsweise bei einer Frequenz zweiter Ordnung (der zweifachen Motorfrequenz, einer Frequenz dritter Ordnung (der dreifachen Motorfrequenz) usw. Ebenso kann die Zwischenkreis-Gleichspannung einen Frequenzinhalt bei Frequenzen enthalten, die kleiner sind als die Frequenz erster Ordnung, beispielsweise bei einer Frequenz halber Ordnung (der halben Motorfrequenz).
Bei einem Motor, der „gesund” ist und ordnungsgemäß arbeitet, ist der Frequenzinhalt des gemessenen Generatorparameters in der Lage, eine ganz bestimmte gesunde Signatur aufzuweisen. Abweichungen von dieser gesunden Signatur sind in der Lage, ein Problem mit dem Motor anzuzeigen. Zum Beispiel kann gemäß einer Ausführungsform ein Zustand eines Motors durch Analysieren einer Größe und/oder Phase halber Ordnung des Frequenzinhalts diagnostiziert werden.
4 ist eine Darstellung, die Ausführungsbeispiele für „gesunde” und „ungesunde” Frequenzinhalte zeigt. Der Frequenzinhalt 410 des gesunden Motors (d. h. eines Motors, der ordnungsgemäß arbeitet) weist gemäß einer Ausführungsform drei Frequenzkomponenten mit absoluten und relativen Größen auf, wie in 4 dargestellt ist. Der Frequenzinhalt 420 des ungesunden Motors (d. h. eines Motors, der wegen einer Funktionsverschlechterung oder eines Ausfalls nicht ordnungsgemäß arbeitet) weist drei Frequenzkomponenten an den gleichen Stellen auf wie beim Frequenzinhalt 410 des gesunden Motors. Jedoch ist gemäß einer Ausführungsform die Amplitude einer Frequenzkomponente 421 (z. B. einer Komponente halber Ordnung) verzerrt (z. B. ist die Amplitude vergrößert), und die Amplitude einer anderen Frequenzkomponente 423 (z. B. einer Komponente zweiter Ordnung) ist ebenfalls verzerrt (z. B. ist die Amplitude verkleinert). In einer Ausführungsform zeigt die verzerrte Komponente halber Ordnung, 421, einen ungesunden Motor an und wird durch Vergleichen der Amplitude der Komponente halber Ordnung mit einem Schwellenwert identifiziert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform zeigen beide verzerrten Frequenzkomponenten 421 und 423 im Frequenzinhalt 420 einen ungesunden Motor an. Ferner sind die speziellen Eigenschaften der verzerrten Frequenzkomponenten (z. B. Amplitude) in Bezug auf die anderen Frequenzkomponenten im Frequenzinhalt 420 des ungesunden Motors in der Lage, eine bestimmte Art von Funktionsverschlechterung oder Ausfall des Motors anzuzeigen (z. B. arbeitet der Zylinder Nummer 3 des Motors nicht mehr). Ebenso ermöglicht die Verwendung der Phase der Komponente halber Ordnung in Bezug auf einen Bezugszylinder (z. B. den Zylinder Nr. 1) die Eingrenzung eines Problems auf einen bestimmten Zylinder.
Die nicht mehr voll funktionsfähigen Komponenten können beispielsweise bewirken, dass der Motor weniger effizient arbeitet, weniger Leistung erzeugt und/oder mehr Schadstoffe ausstößt. Ferner kann der Zustand der nicht mehr voll funktionsfähigen Komponenten die Funktionsverschlechterung der Komponenten beschleunigen, was die Wahrscheinlichkeit für ein katastrophales Motorversagen und einen Streckenausfall erhöhen kann. Ein nicht mehr voll funktionsfähiger Motorzylinder ist ein Beispiel für eine nicht mehr voll funktionsfähige Motorkomponente. So kann bei einem Viertaktmotor die verzerrte Frequenzkomponente bei der Frequenz halber Ordnung auftreten. Bei einem Zweitaktmotor kann die verzerrte Frequenzkomponente bei der Frequenz erster Ordnung auftreten. Die Diagnose kann dann sowohl einen Warnhinweis auf die Funktionsverschlechterung als auch einen Hinweis auf die Art und/oder den Ort der nicht mehr voll funktionsfähigen Motorkomponente enthalten.
5 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels dafür, wie eine Diagnoselogik 510 in der Steuereinrichtung 150 einen ungesunden Zustand im Frequenzinhalt eines Generatorparameters erkennen kann. Zum Beispiel ist es möglich, die Komponente halber Ordnung, 421, durch die Diagnoselogik 510 mit einem Schwellenwert T zu vergleichen. Wenn die Größe der Komponente 421 den Schwellenwert T überschreitet, dann stellt die Diagnoselogik 510 fest, dass der Motor nicht mehr voll funktionsfähig ist. Wenn die Diagnoselogik 510 ferner feststellt, dass das Verhältnis der Komponente halber Ordnung, 421, zur Komponente erster Ordnung, 422, einen zweiten Schwellenwert überschreitet und das Verhältnis der Komponente erster Ordnung, 422, zur Komponente zweiter Ordnung, 423, einen dritten Schwellenwert überschreitet, dann grenzt die Diagnoselogik 510 die Funktionsverschlechterung auf eine bestimmte Motorkomponente ein (z. B. auf den Zylinder Nummer 3). Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Diagnoselogik computerausführbare Befehle, die vom Prozessor 152 ausgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist das Verhältnis einer Komponente halber Ordnung zu einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungskomponente oder einer Komponente nullter Ordnung in der Lage, ein Motorproblem anzuzeigen. Ferner kann der Schwellenwert T von einer Betriebsbedingung des Motors abhängen, beispielsweise von Leistung, Drehzahl, Umgebungsbedingungen, Reparaturhistorie usw.
Arten der Funktionsverschlechterungen oder Ausfälle im Motor, deren Diagnose, Unterscheidung und Eingrenzung möglich ist, sind beispielsweise eine verschlissene Zündkerze, ein Kraftstoffungleichgewicht, ein fehlerhafter Zylinder, ein Klopfen des Motors, ein geringer Kraftstoffzustrom, eine geringe Verdichtung und ein Ventiltriebausfall. Die Diagnostizierung einer Funktionsverschlechterung oder eines Ausfalls ermöglicht es, umgehend Maßnahmen zu ergreifen. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise die Ausgabe eines Warnsignals an die Bedienperson (z. B. über die Anzeige 180), die Anpassung eines Motorbetriebsparameters (z. B. eine Herabsetzung der Motorleistung, ein Abstellen mindestens eines Zylinders des Motors, ein Abstellen des kompletten Motors, ein Ausgleichen der Zylinder des Motors), die Ansetzung einer Wartungsmaßnahme und das Senden des diagnostizierten Zustands an eine zentrale Stelle (z. B. über das Kommunikationssystem 190) beinhalten.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Frequenzinhalt eines Drehmomentprofils, das mit dem Generator assoziiert ist, für die Diagnostizierung eines Zustands des Motors verwendet. 6 ist eine Darstellung von Ausführungsbeispielen dafür, wie ein Drehmomentprofil aus abgerufenen Generatorparametetern erzeugt wird. Die Steuereinrichtung 150 weist ein Backward-Modell 610 des Diodengleichrichters 210 und ein Modell 620 des Generators 120 auf. Die Zwischenkreis-Gleichspannung, gemessen vom Zwischenkreis-Gleichspannungssensor 171, wird in das Backward-Modell 610 eingegeben, um einen Bestimmungswert der Anker-(oder Stator-)Spannung des Generators (d. h. der Generatorausgangsspannung) zu erzeugen. Ebenso wird der Generatorfeldstrom, gemessen vom Feldsensor 172, in das Generatormodell 620 eingegeben, um einen Bestimmungswert des Anker-(oder Stator-)Stroms des Generators (d. h. des Generatorausgangsstroms) zu erzeugen. Die Steuereinrichtung 150 weist ferner ein Drehmoment-Bestimmungsmodell 630 auf. Die bestimmte Generatorausgangsspannung und der bestimmte Generatorausgangsstrom werden zusammen mit einer Motordrehzahl-Angabe in das Drehmoment-Bestimmungsmodell eingegeben, und ein Drehmomentprofil des Generators wird erzeugt (z. B. ein elektromagnetisches Drehmomentprofil). Eine Motordrehzahl-Angabe wird verwendet, um dem Drehmoment-Bestimmungsmodell 630 mitzuteilen, wo sich die harmonischen Frequenzen von Interesse befinden. Die Motordrehzahl vom Drehzahlsensor 160 kann als Eingabe verwendet werden, oder der Frequenzinhalt (z. B. die sechste Harmonische) aus dem Gleichrichter 210 (z. B. der Frequenzinhalt des Zwischenkreis-Gleichspannungssignals) kann als Motordrehzahl-Angabe verwendet werden.
Infolgedessen kann ein Drehmomentprofil, das mit dem Generator assoziiert ist, aus der Zwischenkreis-Gleichspannung und dem Generatorfeldstrom abgeleitet werden. Alternativ dazu könnten der Zwischenkreis-Gleichstrom und die Generatorfeldspannung mit entsprechenden Modellen verwendet werden, um den Generatorausgangsstrom aus dem Zwischenkreis-Gleichstrom und die Generatorausgangsspannung aus der Generatorfeldspannung zu bestimmen. Wenn die Generatorausgangsspannung und der Generatorausgangsstrom der Steuereinrichtung 150 bereits zur Verfügung gestellt wurden (da sich diese Sensoren am Generator befinden), können das Backward-Modell 610 und das Generatormodell 620 umgangen werden. Falls eine weniger exakte Bestimmung des Drehmomentprofils hinnehmbar ist, ist es möglich, nur einen von den Parametern (Zwischenkreis-Gleichspannung, Zwischenkreis-Gleichstrom, Generatorfeldstrom, Generatorfeldspannung, Generatorausgangsstrom, Generatorausgangsspannung) statt zwei zu verwenden, um ein Drehmomentprofil zu bestimmen.
Es ist möglich, einen Zustand des Motors auf Basis des Frequenzinhalts des Drehmomentprofils zu diagnostizieren. 7 ist eine Darstellung von Ausführungsbeispielen dafür, wie ein Frequenzinhalt aus dem Zeitdomänen-Drehmomentprofil erzeugt wird. Wiederum ist es möglich, ein Fourier-Transformationsverfahren 310 oder ein Bandpassfilterverfahren 320 der Steuereinrichtung 150 zu verwenden, um den Frequenzinhalt zu erzeugen. Ebenso ist es möglich, wie oben erörtert, den Frequenzinhalt unter Verwendung der Diagnoselogik der Steuereinrichtung 150 zu analysieren, um eine Funktionsverschlechterung des Motors festzustellen. Es ist möglich, verschiedene Aspekte (z. B. Amplitude und Phase) der Frequenzkomponenten (z. B. halber Ordnung, erster Ordnung usw.) und/oder deren Verhältnisse mit Schwellenwerten zu vergleichen, um die Funktionsverschlechterung einer Motorkomponente festzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist es möglich, ein Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofil aus zumindest einem Teil des Frequenzinhalts von Generatormessdaten (z. B. Daten über die Zwischenkreis-Gleichspannung) zu rekonstruieren. Wie in 8 dargestellt ist, wird ein Fourier-Transformationsverfahren 810 (z. B. ein IFFT-Verfahren) der Steuereinrichtung 150 verwendet, um das Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofil aus dem Frequenzinhalt zu rekonstruieren. Das Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofil ist proportional zu einem elektromagnetischen Drehmoment des Generators. Das rekonstruierte Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofil kann analysiert werden, um einen Zustand des Motors zu diagnostizieren.
Im Allgemeinen ist es gemäß verschiedenen Ausführungsformen möglich, einen Zustand eines Motors auf Basis einer Kombination gemessener Parameter vom Motor (z. B. Drehzahl oder Druck) und vom Generator (z. B. Zwischenkreis-Gleichspannung usw.) zu diagnostizieren. Es ist möglich, den Frequenzinhalt der verschiedenen Parameter zu ermitteln und zu vergleichen, um einen bestimmten Zustand des Motors zu diagnostizieren. Ferner ist es auch möglich, andere Parameterprofile (z. B. des Drehmoments) aus den Profilen gemessener Parameter zu bestimmen und anschließend den Frequenzinhalt dieser Profile zu analysieren, um einen bestimmten Zustand des Motors zu diagnostizieren.
Nun werden weitere Beispiele für Anwendungen von hierin beschriebenen Systemen und Verfahren angegeben. Die Beispiele erläutern verschiedene Methoden zur Diagnostizierung und Unterscheidung verschiedener Arten von Funktionsverschlechterungen eines Motors auf Basis des Frequenzinhalts von Generatordaten (z. B. eines relativ wenig verarbeiteten Generatorparameters wie der Zwischenkreis-Gleichspannung oder anderer abgeleiteter Generatorparameter wie eines elektromagnetischen Drehmoments), die mit dem Generator assoziiert sind, oder einer Drehzahl des Motors während des Motorbetriebs. Viele von den Beispielen können mit kleineren Anpassungen auch auf verschiedene Arten von Zusatzeinrichtungen angewendet werden.
In einer Ausführungsform kann ein nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder eines Viertaktmotors aufgrund einer Frequenzinhaltssignatur, beispielsweise der Größe der Frequenzkomponente halber Ordnung, die größer ist als ein Schwellenwert halber Ordnung, ermittelt werden. In einer alternativen Ausführungsform können die Größen der Frequenzinhalte über einem Bereich von Frequenzen integriert werden, und ein nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder eines Viertaktmotors kann aufgrund dessen erkannt werden, dass die Integration größer ist als ein integraler Schwellenwert.
Die Erkennung eines einzelnen nicht mehr voll funktionsfähigen Zylinders, wenn die anderen Zylinder des Motors gesünder (oder weniger stark in ihrer Funktionsfähigkeit eingeschränkt) sind, kann eine deutlichere Frequenzinhaltssignatur aufweisen als wenn mehrere Zylinder des Motors nicht mehr voll funktionsfähig sind. Zum Beispiel kann die Frequenzinhaltssignatur eines einzelnen nicht mehr voll funktionsfähigen Zylinders durch Vergleichen der Größe der Frequenzkomponente halber Ordnung mit einem Schwellenwerts der Größe halber Ordnung identifiziert werden. Jedoch können mehrere Zylinder, die nicht mehr voll funktionsfähig sind, eine andere Frequenzinhaltssignatur aufweisen als ein einzelner nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder. Ferner kann die Position in der Zündreihenfolge mehrerer nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder die Frequenzinhaltssignatur ändern. Zum Beispiel können zwei nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder, die um 180° phasenversetzt sind, einen andere Frequenzinhaltssignatur aufweisen als zwei nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder, die in der Zündreihenfolge aufeinander folgen, und somit können die hierin offenbarten Verfahren einen oder mehrere nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder auf Basis verschiedener Änderungen der Frequenzinhaltssignatur identifizieren. Ferner kann es von Vorteil sein, eine Frequenzinhaltssignatur eines gesunden Motors durch Aufzeichnen eines Frequenzinhalts bei verschiedenen Frequenzen und unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann der Frequenzinhalt des Motors mit der Frequenzinhaltssignatur eines gesunden Motors verglichen werden. Beispielsweise können Anomalien, die nicht mit der Frequenzinhaltssignatur des gesunden Motors oder einer anderen nicht mehr voll funktionsfähigen Motorkomponente übereinstimmen, von der Steuereinrichtung identifiziert und gemeldet werden. Andere Beispiele für nicht mehr voll funktionsfähige Motorkomponenten beinhalten ein nicht mehr voll funktionsfähiges Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem, einen nicht mehr voll funktionsfähigen Lader und ein nicht mehr voll funktionsfähiges Kurbelgehäuse.
In einer Ausführungsform können die Zeitdomänen-Generatordaten durch einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die etwas größer ist als die Frequenz erster Ordnung, gefiltert werden. Zum Beispiel kann die Grenzfrequenz zehn bis zwanzig Prozent größer sein als die Frequenz erster Ordnung. Somit kann in einer Ausführungsform die Grenzfrequenz durch die Motordrehzahl ermittelt werden. Die Generatordaten können zeitabhängig mit einer Frequenz abgetastet werden, die mindestens so hoch ist wie die Nyquist-Rate. In einer Ausführungsform kann das Zeitdomänensignal mit einer Frequenz abgetastet werden, die höher ist als das Zweifache der Motorfrequenz erster Ordnung. In einer Ausführungsform kann das Zeitdomänensignal mit einer Frequenz abgetastet werden, die höher ist als das Zweifache der Motorfrequenz, bei der eine rote Linie überschritten wird. Somit ist es möglich, dass durch Tiefpassfiltern und Abtasten bei einer Frequenz, die mindestens so hoch ist wie die Nyquist-Rate, der Frequenzinhalt der Generatordaten nicht verfälscht wird. Das gleiche kann für Motordrehzahl-Daten gelten.
Wie hierin erörtert worden ist, können die ertasteten Generatordaten (z. B. Zwischenkreis-Gleichspannung, Drehmoment usw.) transformiert werden, um einen Frequenzdomänen-Frequenzinhalt zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann eine Fast-Fourier-Transformation verwendet werden, um den Frequenzdomänen-Frequenzinhalt zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann ein Korrelationsalgorithmus angewendet werden, um den Frequenzinhalt der Generatordaten mit einer Signatur für einen Zustand des Motors zu vergleichen. Zum Beispiel kann die Signatur für einen gesunden Motor bei der Frequenz erster Ordnung einen Frequenzinhalt mit einer Größe unterhalb eines Schwellenwerts erster Ordnung und bei der Frequenz halber Ordnung einen Frequenzinhalt mit einer Größe unterhalb eines Schwellenwerts halber Ordnung aufweisen. Der Schwellenwert erster Ordnung kann der Motordrehzahl, der Motorlast, der Kurbelgehäusetemperatur und Motor-Verlaufsdaten entsprechen.
Zum Beispiel können die Motor- und Generator-Verlaufsdaten in einer Datenbank gespeichert werden, die Abtastwerte eines Frequenzinhalts aus einem in der Vergangenheit liegenden Betrieb des Motors enthält. Somit kann ein Trend des Frequenzinhalts erkennt werden, und der Trend kann verwendet werden, um die Gesundheit des Motors festzustellen. Zum Beispiel können eine Größenzunahme bei der Motorkomponente halber Ordnung für eine bestimmte Motordrehzahl und -last anzeigen, dass ein Zylinder nicht mehr voll funktionsfähig ist. Als weiteres Beispiel kann ein steigender durchschnittlicher Kurbelgehäusedruck, der ohne Größenzunahme bei der Motorkomponente halber Ordnung für eine bestimmte Motordrehzahl und -last gekoppelt ist, anzeigen, dass der Lader oder das Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem an Funktionsfähigkeit verliert. Ein potentieller Fehler kann einen nicht mehr voll funktionsfähigen Zylinder, einen nicht mehr voll funktionsfähigen Lader oder ein nicht mehr voll funktionsfähiges Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem beinhalten.
In einer Ausführungsform kann der Frequenzinhalt der Generatordaten in einer Datenbank gespeichert werden, die Motor- und Generator-Verlaufsdaten enthält. Zum Beispiel kann die Datenbank im Speicher 154 der Steuereinrichtung 150 gespeichert sein. Als anderes Beispiel kann die Datenbank an einem anderen Ort als am Schienenfahrzeug 106 gespeichert sein. Zum Beispiel können historische Daten in einer Nachricht verkapselt sein und mit einem Kommunikationssystem 190 gesendet werden. Auf diese Weise kann ein Stellwerk die Gesundheit des Motors in Echtzeit überwachen. Zum Beispiel kann das Stellwerk Schritte ausführen, um den Zustand des Motors unter Verwendung von mit dem Kommunikationssystem 190 gesendeten Generatordaten zu diagnostizieren. Zum Beispiel kann das Stellwerk Generatordaten einschließlich von Daten über die Zwischenkreis-Gleichspannung vom Schienenfahrzeug 106 empfangen, Daten über die Zwischenkreis-Gleichspannung in Frequenz transformieren, einen Korrelationsalgorithmus an die transformierten Daten anlegen und eine potentielle Funktionsverschlechterung des Motors diagnostizieren. Ferner kann das Stellwerk eine Wartung ansetzen und funktionsfähige Lokomotiven sowie Wartungs-Teams auf eine Weise einsetzen, die den Kapitaleinsatz optimiert. Generator-Verlaufsdaten können ferner verwendet werden, um die Gesundheit des Motors vor und nach dem Motor-Service, nach Motormodifikationen und dem Austausch von Motorkomponenten zu bewerten.
In einer Ausführungsform kann ein potentieller Fehler über die Anzeige 180 an das Lokomotivenbedienungs-Team gemeldet werden. Auf eine Benachrichtigung hin kann die Bedienperson den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 anpassen, um die Wahrscheinlichkeit für eine weitere Funktionsverschlechterung des Motors zu verringern. In einer Ausführungsform kann eine Meldung, die einen potentiellen Fehler anzeigt, mit dem Kommunikationssystem 190 an ein Stellwerk gesendet werden. Ferner kann die Schwere des potentiellen Fehlers gemeldet werden. Zum Beispiel kann die Diagnostizierung eines Fehlers auf Basis eines Frequenzinhalts von Generatordaten eine frühere Fehlererkennung ermöglichen als wenn der Fehler nur mit durchschnittlichen Motorinformationen (z. B. nur mit Drehzahlinformationen) diagnostiziert wird. Somit kann der Motor seine Arbeit fortsetzen, wenn ein potentieller Fehler in den frühen Stadien der Funktionsverschlechterung diagnostiziert wird. Im Gegensatz dazu kann es wünschenswert sein, den Motor anzuhalten oder eine umgehende Wartung anzusetzen, wenn ein potentieller Fehler als schwer diagnostiziert wird. In einer Ausführungsform kann die Schwere eines potentiellen Fehlers gemäß einem Unterschied zwischen einem Schwellenwert und der Größe einer oder mehrerer Komponenten des Frequenzinhalts der Generatordaten ermittelt werden.
Durch Analysieren des Frequenzinhalts der Generatordaten kann es möglich sein, den Motor während des Betriebs zu überwachen und einer Diagnose zu unterziehen. Ferner kann der Betrieb eines Motors mit einer Komponente, die nicht mehr voll funktionsfähig ist, angepasst werden, um eine zusätzliche Funktionsverschlechterung der Motorkomponente möglicherweise zu verringern und um die Wahrscheinlichkeit eines zusätzlichen Motorausfalls und Ausfalls im Betrieb zu verringern. Zum Beispiel kann die Komponente halber Ordnung mit einem Schwellenwert halber Ordnung verglichen werden. Wenn die Größe der Komponente halber Ordnung größer ist als der Schwellenwert halber Ordnung, kann der potentielle Fehler in einer Ausführungsform ein nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder sein. Wenn jedoch die Größe der Komponente halber Ordnung nicht größer ist als der Schwellenwert halber Ordnung, kann der potentielle Fehler ein nicht mehr voll funktionsfähiger Lader oder ein nicht mehr voll funktionsfähiges Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem sein.
In einer Ausführungsform kann der potentielle Fehler über die Anzeige 180 an das Lokomotivenbedienungs-Team gemeldet werden, und die Bedienperson kann den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 anpassen, um die Gefahr einer weiteren Funktionsverschlechterung zu verringern. In einer Ausführungsform kann eine Meldung, die den potentiellen Fehler diagnostiziert, mit dem Kommunikationssystem 190 an ein Stellwerk gesendet werden.
In einer Ausführungsform kann ein Motorbetriebsparameter angepasst werden, um einen nicht mehr voll funktionsfähigen Zylinder zu identifizieren. Zum Beispiel kann der nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder auf Basis einer selektiven Außerkraftsetzung der Kraftstoffeinspritzung in einen oder mehrere Zylinder des Motors identifiziert werden. In einer Ausführungsform kann die Kraftstoffeinspritzung für jeden Zylinder von der Mehrzahl von Zylindern der Reihe nach außer Kraft gesetzt werden, während die Generatordaten und/oder der assoziierte Frequenzinhalt überwacht werden. Zum Beispiel kann die Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder außer Kraft gesetzt werden, während die anderen Zylinder normal arbeiten. Dadurch, dass jeder Zylinder der Reihe nach außer Kraft gesetzt wird, kann der nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder identifiziert werden. Als anderes Beispiel kann die Kraftstoffeinspritzung in eine Gruppe von Zylindern außer Kraft gesetzt werden, während die anderen Zylinder normal arbeiten. Durch zyklisches Abarbeiten verschiedener Gruppen der Reihe nach kann der nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder durch ein Eliminierungsverfahren erkannt werden.
In einem Beispiel kann die Frequenzkomponente halber Ordnung der Generatordaten für jeden außer Kraft gesetzten Zylinder eines Viertaktmotors überwacht werden. Der außer Kraft gesetzte Zylinder kann ein nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder sein, wenn die Frequenzkomponente halber Ordnung unter einen Schwellenwert halber Ordnung fällt, während der Zylinder außer Kraft gesetzt ist. Der außer Kraft gesetzte Zylinder kann ein voll funktionsfähiger Zylinder sein, wenn die Frequenzkomponente halber Ordnung über einem Schwellenwert halber Ordnung bleibt, während der Zylinder außer Kraft gesetzt ist. Anders ausgedrückt kann der nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder der Zylinder sein, der in einem höheren Maß zum Frequenzinhalt bei der Frequenzkomponente halber Ordnung beiträgt als andere Zylinder. In einer Ausführungsform kann die durch selektives Außerkraftsetzen gestellte Diagnose durchgeführt werden, wenn der Motor leer läuft oder nur leicht belastet ist.
In einer Ausführungsform kann die durch selektives Außerkraftsetzen gestellte Diagnose ferner auf dem Frequenzinhalt von Motorbetriebsparametern, beispielsweise der Motordrehzahl, basieren. Zum Beispiel kann die Motordrehzahl Frequenzinhalt bei der Frequenzkomponente halber Ordnung beinhalten, wenn ein nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder arbeitet. Somit kann durch Beobachten des Frequenzinhalts verschiedener Motorbetriebsparameter, während jeder Zylinder selektiv außer Kraft gesetzt wird, der nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder erkannt werden.
In einer Ausführungsform kann der nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder auf Basis einer selektiven Veränderung der Kraftstoffeinspritzung in einen oder mehrere Zylinder des Motors erkannt werden. Zum Beispiel kann Kraftstoff für die einzelnen Zylinder selektiv vermehrt oder verringert werden, während die Frequenzkomponente halber Ordnung der Generatordaten überwacht wird. Ferner kann die Signatur, d. h. der Frequenzinhalt, jedes Zylinders mit Verlaufsdaten für den Motor oder mit einem gesunden Motor verglichen werden. Zum Beispiel kann der diagnostische Test an einem gesunden Motor durchgeführt werden, um eine Grundliniensignatur zu erzeugen. Die Grundliniensignatur kann dann mit dem Frequenzinhalt verglichen werden, während der Motor einer Diagnose unterzogen wird. In einer Ausführungsform kann der nicht mehr voll funktionsfähige Zylinder durch Ändern des Kraftstoffeinspritzungs-Zeitpunkts identifiziert werden. Zum Beispiel können Anpassungen des Voreilwinkels verwendet werden, um den nicht mehr voll funktionsfähigen Zylinder zu diagnostizieren. Zum Beispiel kann der Kraftstoffeinspritzungs-Zeitpunkt verzögert werden, um den Frequenzinhalt der Frequenzkomponente halber Ordnung potentiell zu vergrößern.
Es kann stärker bevorzugt sein, den Motor auszuschalten, als dass ein nicht mehr voll funktionsfähiger Zylinder auf eine Art und Weise versagt, die weitere Schäden am Motor verursachen könnte. In einer Ausführungsform kann ein Schwellenwert ermittelt werden, der anzeigt, dass ein fortgesetzter Betrieb des Motors nachteilig sein kann, da der potentielle Fehler schwerwiegend ist. Zum Beispiel kann der potentielle Fehler als schwerwiegend eingestuft werden, wenn eine Größe der Frequenzkomponente halber Ordnung einen Schwellenwert überschreitet. Der Motor kann angehalten werden, wenn die Schwere des potentiellen Fehlers den Schwellenwert überschreitet.
Es kann eine Forderung nach Ansetzung einer Werkstattüberprüfung gesendet werden, beispielsweise durch eine Meldung, die über das Kommunikationssystem 190 gesendet wird. Ferner kann durch Senden der potentiellen Fehlerbedingung und der Schwere des potentiellen Fehlers die Zeit, über die das Schienenfahrzeug 106 außer Betrieb ist, verkürzt werden. Zum Beispiel können Wartungsarbeiten am Schienenfahrzeug 106 auf einen späteren Zeitpunkt verschoben werden, wenn der potentielle Fehler nicht sehr schwerwiegend ist. Die Zeit des Stillstands kann ferner dadurch verkürzt werden, dass die Leistung des Motors herabgesetzt wird, beispielsweise durch Anpassen eines Motorbetriebsparameters auf Basis des diagnostizierten Zustands. Es kann festgestellt werden, ob eine Herabsetzung des Motors zulässig ist. Zum Beispiel kann die Herabsetzung der Motorleistung die Größe einer oder mehrerer Komponenten des Frequenzinhalts der Generatordaten verringern.
Ein Motorbetriebsparameter kann angepasst werden, beispielsweise um eine zusätzliche Funktionsverschlechterung der nicht mehr voll funktionsfähigen Komponente zu verringern. In einer Ausführungsform kann die Motordrehzahl oder -leistung reguliert werden.
In einer Ausführungsform kann die Kraftstoffeinspritzung in den potentiell nicht mehr voll funktionsfähigen Zylinder verringert oder außer Kraft gesetzt werden, während der Betrieb der anderen Zylinder fortgesetzt wird. Somit kann der Motor seinen Betrieb fortsetzen, und eine weitere Funktionsverschlechterung des nicht mehr voll funktionsfähigen Zylinders kann verringert werden. Auf diese Weise kann der Motor angepasst werden, um möglicherweise eine zusätzliche Funktionsverschlechterung der Motorkomponente zu verringern und um die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Motorausfalls und Streckenausfalls zu verringern. In einer Ausführungsform kann ein Test-Kit verwendet werden, um einen Frequenzinhalt der Generatordaten zu erkennen und einen Zustand des Motors auf Basis des Frequenzinhalts der Generatordaten, die mit dem Generator assoziiert sind, diagnostizieren. Zum Beispiel kann ein Test-Kit eine Steuereinrichtung aufweisen, das dazu dient, mit einem oder mehreren Generatorsensoren zu kommunizieren, und die dazu dient, die assoziierten Generatordaten abzurufen. Die Steuereinrichtung kann ferner dazu dienen, Signale von dem einen oder mehreren Generatorsensoren in einen Frequenzinhalt zu transformieren, der Frequenzinformationen des Motors darstellt. Der Controller kann ferner dazu dienen, einen Zustand des Motors auf Basis des Frequenzinhalts der Generatordaten vom Generatorsensor zu diagnostizieren. Das Test-Kit kann ferner einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen von Generatorparametern (z. B. der Generatorausgangsspannung) und/oder Motorparametern (z. B. der Motordrehzahl) aufweisen.
In der Beschreibung und den Ansprüchen wird auf eine Reihe von Begriffen Bezug genommen, die die folgenden Bedeutungen haben. Die Singularformen „einer, eine, eines” und „der, die, das” beinhalten auch Pluralbezüge, wenn der Kontext nichts anderes angibt. Näherungsausdrücke, wie sie in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, können angewendet werden, um eine quantitative Aussage zu modifizieren, die auf zulässige Weise variieren könnte, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion zu führen, auf die sie bezogen ist. So soll ein Wert, der durch einen Begriff wie „etwa” modifiziert ist, nicht auf den exakten angegebenen Wert beschränkt werden. In manchen Fallen können die Näherungsausdrücke der Genauigkeit eines Instruments entsprechen, mit dem der Wert gemessen wird. Entsprechend kann „frei” in Kombination mit einem Begriff verwendet werden und kann eine zu vernachlässigende Zahl oder Spurenmengen einschließen und dabei trotzdem als frei von dem modifizierten Begriff betrachtet werden. Darüber hinaus wird durch die Verwendung der Begriffe „erster, erste, erstes”, „zweiter, zweite, zweites” usw. keine Reihenfolge oder Bedeutung angegeben, solange nichts anderes spezifisch angegeben ist, sondern die Begriffe „erster, erste, erstes”, „zweiter, zweite, zweites” usw. werden verwendet, um ein Element vom anderen zu unterscheiden.
Wie hierin verwendet, zeigen die Begriffe „können” und „sein können” eine Möglichkeit für ein Vorkommen innerhalb eines Satzes von Umständen; den Besitz einer bestimmten Eigenschaft, eines bestimmten Merkmals oder einer bestimmten Funktion an; und/oder es wird damit ein anderes Verb näher bestimmt, indem sie ein Können, eine Fähigkeit oder Möglichkeit ausgedrückt wird, die mit dem Verb assoziiert ist. Entsprechend zeigt die Verwendung von „können” und „sein können” an, dass ein modifizierter Begriff offensichtlich angemessen, passend oder geeignet ist für eine angegebene Fähigkeit, Funktion oder Nutzung, während berücksichtigt wird, dass unter manchen Umständen der modifizierte Begriff nicht angemessen, fähig oder geeignet sein kann. Zum Beispiel kann unter manchen Umständen ein Ereignis oder eine Fähigkeit erwartet sein, während das Ereignis oder die Fähigkeit unter anderen Umständen nicht eintreffen kann – die Unterscheidung wird durch die Begriffe „können” und „sein können” geleistet. Die Begriffe „Generator” und „Wechselstromgenerator” werden hierin austauschbar verwendet (jedoch sei klargestellt, dass je nach Anwendung der eine oder der andere Begriff besser geeignet sein kann). Die Begriffe „Frequenzinhalt” und „harmonischer Inhalt” werden hierin austauschbar verwendet und können Grundfrequenz-(und/oder Phasen-)Komponenten und assoziierte harmonische Frequenz-(und/oder Phasen-)Komponenten oberhalb und unterhalb der fundamentalen Komponente bezeichnen. Der Begriff „Befehle”, wie hierin mit Bezug auf eine Steuereinrichtung oder einen Prozessor verwendet, kann auf computerausführbare Befehle bezogen sein. Wie hierin verwendet, können sich die Begriffe „Drehzahl”, „Drehzahldaten” und „Drehzahlsignal” auf eine Geschwindigkeit, mit der sich ein Motor dreht, einen harmonischen Inhalt einer gemessenen Motordrehzahl, einen Unterschied einer gemessenen Motordrehzahl von Zyklus zu Zyklus, einen Unterschied der Zeit, die ein Motor braucht, um sich über einen festgelegten Winkel zu drehen, und eine Mehrzahl von Zeitintervallen beziehen, wobei jedes Zeitintervall der Länge einer Zeit entspricht, die ein Motor braucht, um sich über einen bestimmten Winkel zu drehen.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind Beispiele für Artikel, Systeme und Verfahren, die Elemente aufweisen, die den Elementen der Erfindung entsprechen, die in den Ansprüchen genannt sind. Die Beschreibung kann den Fachmann in die Lage versetzen, Ausführungsformen mit alternativen Elementen, die den Elementen der Erfindung, die in den Ansprüchen genannt sind, ebenso entsprechen, herzustellen und zu verwenden. Der Bereich der Erfindung beinhaltet somit Artikel, Systeme und Verfahren, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, und beinhaltet ferner andere Artikel, Systeme und Verfahren, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nur unwesentlich unterscheiden. Obwohl hierin nur bestimmte Merkmale und Ausführungsformen dargestellt und beschrieben sind, können viele Modifizierungen und Änderungen für einen Fachmann auf dem betreffenden Gebiet naheliegend sein. Die beigefügten Ansprüche decken alle diese Modifikationen und Änderungen ab.

Claims

Verfahren für einen Motor (110), der betriebsmäßig mit einem Generator (120) verbunden ist, umfassend: Messen mindestens eines Parameters, der mit dem Generator (120) assoziiert ist, während des Betriebs; Ermitteln eines Drehmomentprofils, das mit dem Generator (120) assoziiert ist, auf Basis des mindestens einen gemessenen Parameters; und Diagnostizieren eines Zustands des Motors (110) auf Basis eines Frequenzinhalts (420) des ermittelten Drehmomentprofils.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine gemessene Parameter mindestens eine der folgenden Größen beinhaltet: Zwischenkreis-(171)-Gleichspannung, Zwischenkreis-(171)-Gleichstrom, Feldstrom im Generator (120), Feldspannung im Generator (120).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es in Reaktion auf die Diagnose mindestens eine der folgenden Aktionen beinhaltet: Ausgeben eines Warnsignals an eine Bedienperson, Herabsetzen der Leistung des Motors (110), Senden des diagnostizierten Zustands an eine zentrale Stelle, Abschalten mindestens eines Zylinders des Motors (110), Abschalten des Motors (110), Ausgleichen der Zylinder des Motors (110).
Fahrzeugsystem (100), aufweisend: einen Motor (110); einen Generator (120), der betriebsmäßig mit dem Motor (110) verbunden ist; mindestens einen Sensor (170) zum Messen mindestens eines Parameters, der mit dem Generator (120) assoziiert ist, während des Betriebs; und eine Steuereinrichtung (150), die Befehle enthält, die dafür ausgelegt sind, den mindestens einen gemessenen Parameter abzurufen und in ein Drehmomentprofil zu transformieren; Frequenzinhalt (420) des Drehmomentprofils zu erkennen; und einen Zustand des Motors (110) auf Basis des Frequenzinhalts (420) des Drehmomentprofils zu diagnostizieren.
Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (150) dazu dient, einen funktionsmäßig verschlechterten Zustand des Motors (110) zu melden.
Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (150) ferner Befehle enthält, die dafür ausgelegt sind, einen Betriebsparameter des Motors (110) auf Basis der diagnostizierten Bedingung anzupassen.
Verfahren für einen Motor (110), der betriebsmäßig mit einem Generator (120) verbunden ist, umfassend: Messen eines elektrischen Parameters, der mit dem Generator (120) assoziiert ist während des Betriebs; und Diagnostizieren eines Zustands des Motors (110) auf Basis eines Frequenzinhalts (420) des gemessenen elektrischen Parameters.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Zustand durch Analysieren einer Größe und/oder eine Phase einer Frequenzkomponente halber Ordnung des Frequenzinhalts diagnostiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der elektrische Parameter eine Gleichspannung eines Zwischenkreises (171), ein Zwischenkreis-(171)-Gleichstrom, eine Feldspannung des Generators (120), ein Feldstrom des Generators (120), eine Ausgangsspannung des Generators (120) oder ein Ausgangsstrom eines Generators (120) ist.
Fahrzeugsystem (100), aufweisend: einen Motor (110); einen Generator (120), der betriebsmäßig mit dem Motor (110) verbunden ist; einen Sensor (170) zum Messen eines elektrischen Parameters, der mit dem Generator (120) assoziiert ist, während des Betriebs; und eine Steuereinrichtung (150), die Befehle enthält, die dafür ausgelegt sind, den gemessenen elektrischen Parameter abzutasten; den Frequenzinhalt (420) des gemessenen elektrischen Parameters zu identifizieren; und einen Zustand des Motors (110) auf Basis eines Frequenzinhalts (420) des gemessenen elektrischen Parameters zu diagnostizieren.
Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 10, wobei der elektrische Parameter eine Zwischenkreis-(171)-Gleichspannung, ein Zwischenkreis-(171)-Gleichstrom, eine Feldspannung des Generators (120), ein Feldstrom des Generators (120), eine Generator-(120)-Ausgangsspannung oder ein Generator-(120)-Ausgangsstrom ist.
Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung (150) einen Zustand durch Analysieren einer Größe und/oder einer Phase einer Frequenzkomponente (421) halber Ordnung des Frequenzinhalts (420) diagnostiziert.
Verfahren für einen Motor (110), der betriebsmäßig mit einem Generator (120) verbunden ist, umfassend: Messen eines elektrischen Parameters, der mit dem Generator (120) assoziiert ist, während des Betriebs über einer Zeit; Ermitteln eines Frequenzinhalts (420) des gemessenen elektrischen Parameters; und Rekonstruieren eines Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofils von mindestens einem Teil des Frequenzinhalts (420), wobei das Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofil proportional ist zu einem elektromagnetischen Drehmoment des Generators (120).
Verfahren nach Anspruch 13, ferner das Diagnostizieren eines Zustands des Motors (110) auf Basis des rekonstruierten Gleichstrom-/Gleichspannungs-Modulationsprofils umfassend.
Verfahren für einen Motor (110), der betriebsmäßig mit einem Generator (120) verbunden ist, umfassend: Messen mindestens eines Parameters, der mit dem Motor (110) assoziiert ist; Messen mindestens eines Parameters, der mit dem Generator (120) assoziiert ist; und Diagnostizieren eines Zustands des Motors (110) auf Basis der gemessenen Parameter.