DE112012003854T5 - Systeme und Verfahren zur Diagnose eines Motors - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren und Systeme für einen Motor (110) bereitgestellt. Ein Zustand des Motors (110) kann auf der Basis eines Verbrennungsdrehmomentprofils diagnostiziert werden, das unter Verwendung von Signalen aus einem funktionell mit dem Motor (110) verbundenen Generator (120) und/oder weiteren dem Motor (110) zugeordneten Signalen abgeschätzt wird. Verschiedene Verschlechterungstypen können auf der Basis von Unterscheidungseigenschaften in den abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofildaten unterschieden werden. Somit kann eine verschlechterte Komponente des Motors (110) auf eine Weise erkannt werden, die eine durch Servicearbeiten verursachte Verzögerung reduziert.

Description

  • GEBIET
  • Ausführungsformen des hierin beschriebenen Erfindungsgegenstandes betreffen Systeme und Verfahren zur Diagnose eines Motors.
  • HINTERGRUND
  • Motorkomponenten können sich während des Betriebs auf verschiedene Arten verschlechtern. Beispielsweise kann ein Motorzylinder in einem Motor aufgrund einer verschlissenen Zündkerze mit Fehlzündungen beginnen. Eine Möglichkeit zur Detektion einer Motorverschlechterung besteht in der Überwachung der Motordrehzahl. Diagnoseroutinen können überwachen, ob Motordrehzahlbeiträge über einen Schwellenwert ansteigen, und Diagnosecodes oder andere Anzeigen erzeugen, die Service, Verringerung der Motorleistung oder Abschaltung des Motors erfordern. Jedoch haben die Erfinder hierin erkannt, dass eine Analyse der Motordrehzahl oft unzureichend ist, um ein Motorproblem sorgfältig zu diagnostizieren.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für einen funktionell mit einem Generator verbundenen Hubkolbenmotor beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die Diagnose eines Zustandes des Motors durch Vergleichen eines geschätzten, durch die Verbrennung hervorgerufenen Motordrehmomentprofils mit einem erwarteten Motordrehmomentprofil.
  • In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für einen mit einem Generator betriebsmäßig verbundenen Hubkolbenmotor beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die Diagnose eines Zylinderinnendruckprofils des Motors durch Vergleichen eines geschätzten, durch die Verbrennung hervorgerufenen Motordrehmomentprofils mit einem erwarteten Motordrehmomentprofil.
  • In einer Ausführungsform wird ein Fahrzeugsystem beschrieben. Das Fahrzeugsystem beinhaltet einen Motor, einen funktionell mit dem Motor verbundenen Generator, wenigstens einen Sensor zum Messen wenigstens eines dem Generator während des Betriebs zugeordneten elektrischen Parameters, einen Sensor zum Messen der Drehzahl einer rotierenden Welle des Motors und eine Steuerungsvorrichtung. Die Steuerungsvorrichtung enthält Instruktionen, die zum Abtasten und Transformieren wenigstens eines elektrischen Parameters in ein elektromagnetisches Drehmomentprofil, zum Abtasten und Transformieren der Drehzahl der rotierenden Welle in ein Trägheitsdrehmomentprofil und zum Abschätzen eines durch die Verbrennung hervorgerufenen Motordrehmomentprofils aus dem elektromagnetischen Drehmomentprofil und dem Trägheitsdrehmomentprofil eingerichtet ist.
  • In einer Ausführungsform wird ein Prüfsatz bereitgestellt. Der Prüfsatz enthält eine Steuerungsvorrichtung, die zum Ermitteln eines Zustands eines funktionell mit einem Generator verbundenen Hubkolbenmotors auf der Basis eines Vergleichs eines geschätzten durch die Verbrennung hervorgerufenen Motordrehmomentprofils mit einem erwarteten Motordrehmomentprofil betrieben werden kann.
  • Diese Kurzbeschreibung der Erfindung wird zur Einführung einer Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form bereitgestellt, die hierin weiter beschrieben werden. Diese Kurzbeschreibung soll weder Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes der Erfindung identifizieren, noch soll sie zur Einschränkung des Schutzumfangs des beanspruchten Erfindungsgegenstandes verwendet werden. Ferner ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementationen beschränkt, die irgendwelche oder alle in irgendeinem Teil dieser Beschreibung angegebenen Nachteile lösen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird mit dem Lesen der nachstehenden Beschreibung nicht einschränkender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlich, wobei nachstehend:
  • 1 eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform eines Fahrzeugsystems (z. B. eines Lokomotivensystems) mit einem Motor und einem Generator (Drehstromgenerator) ist, das hierin als ein zum Fahren auf Schienen mittels mehrerer Räder gestaltetes Schienenfahrzeug dargestellt ist;
  • 2 eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform des Motors und funktionell mit verschiedenen Hilfsaggregaten und Traktionsmotoren verbundenen Generators von 1 ist;
  • 3 eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform ist, wie ein durch die Verbrennung hervorgerufenes Motordrehmomentprofil aus Motordrehzahl und elektrischen Parametern des Generators abzuschätzen ist;
  • 4 eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform ist, wie elektrische Parameter des Generators in ein elektromagnetisches Drehmomentprofil umzuwandeln sind;
  • 5 eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform ist, wie ein Trägheitsdrehmomentprofil aus der Drehzahl des Motors zu erzeugen ist;
  • 6 eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform ist, wie das durch die Verbrennung hervorgerufene Motordrehmomentprofil abgeschätzt wird;
  • 7 eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform ist, wie ein Drehmomentvergleichsprozess zur Diagnose eines Zustandes eines Motors verwendet wird; und
  • 8 eine Veranschaulichung von Beispielausführungsformen ist, wie der Frequenzinhalt eines Zeitbereich-Drehmomentprofils zu erzeugen ist, welcher zur Motordiagnose verwendet werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen des hierin beschriebenen Erfindungsgegenstandes betreffen Systeme und Verfahren zur Diagnose eines Motors. Prüfsätze zur Durchführung der Verfahren werden ebenfalls bereitgestellt. Der Motor kann in einem Fahrzeug, wie z. B. in einem Lokomotivensystem, enthalten sein. Weitere geeignete Typen von Fahrzeugen können Straßenfahrzeuge, Geländefahrzeuge, Bergbauausrüstung, Flugzeuge und Schiffe sein. Weitere Ausführungsformen der Erfindung können für stationäre Motoren, wie z. B. Windkraftanlagen oder Stromgeneratoren verwendet werden. Der Motor kann ein Dieselmotor sein oder kann anderen Kraftstoff oder eine Kombination von Kraftstoffen verbrennen. Derartige alternative Kraftstoffe können Benzin, Kerosin, Biodiesel, Erdgas und Ethanol sowie Kombination der Vorgenannten umfassen. Geeignete Motoren können eine Kompressions- und/oder Funkenzündung verwenden. Diese Fahrzeuge können einen Motor mit Komponenten enthalten, die sich im Gebrauch verschlechtern.
  • Ferner verwenden Ausführungsformen des hierin beschriebenen Erfindungsgegenstandes Generatordaten, wie z. B. gemessene elektrische Parameter des Generators oder aus den gemessenen elektrischen Parametern abgeleitete Generatordaten (z. B. ein abgeleitetes Drehmomentprofil) und/oder Motorparameter (z. B. Drehzahl) zur Diagnose von Zuständen eines Motors und zur Unterscheidung zwischen Zuständen und zugeordneten Motorkomponenten.
  • Ein Motor kann in einen speziellen Betriebszustand oder Modus versetzt werden, wenn nach speziellen Typen von Motorverschlechterung gesucht wird. Beispielsweise kann der Motor während eines Selbstbelastungszustandes als Teil einer Prüfprozedur, eines Zustandes im dynamischen Brems-(db)-prüfstand oder eines Überwachungszustandes in stabilen Betriebszustand diagnostiziert werden. Die hierin diskutierten diagnostischen und prognostischen Verfahren können für zur Trendverfolgung, zum Vergleich von Zylinder/Zylinder-Abweichung, Durchführung von Prüfprozeduren, Reparaturbestätigung und Unterstützung bei der Reparatur verwendet werden. Alternativ können Generator- und/oder Motordaten abgetastet und analysiert werden, wenn der Motor einen speziellen Betriebszustand oder Status während des Normalbtriebs erreicht.
  • 1 ist eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform eines Fahrzeugsystems 100 (z. B. eines Lokomotivensystems), das hierin als ein zum Fahren auf einer Schiene 102 mittels mehrerer Räder 108 gestaltetes Schienenfahrzeug 106 dargestellt ist. Gemäß Darstellung enthält das Schienenfahrzeug 106 einen funktionell mit einem Generator (Drehstromgenerator) 120 verbundenen Motor 110. Das Fahrzeug 106 enthält auch funktionell mit dem Generator 120 zum Antrieb der Räder 108 verbundene Traktionsmotoren 130. Das Fahrzeug 106 enthält ferner verschiedene funktionell mit dem Generator 120 oder dem Motor 110 (z. B. der drehbaren Motorwelle 111, siehe 2) zum Durchführen verschiedener Funktionen verbundene Hilfssysteme oder Aggregate 140.
  • Das Fahrzeug 106 enthält ferner eine Steuerungsvorrichtung 150 zum Steuern verschiedener dem Fahrzeugsystem 100 zugehöriger Komponenten. In einem Beispiel beinhaltet die Steuerungsvorrichtung 150 ein Computersteuerungssystem. In einer Ausführungsform ist das Computersteuerungssystem größtenteils softwarebasierend und enthält einen Prozessor, wie z. B. einen Prozessor 512, der zum Ausführen computerausführbarer Instruktionen eingerichtet ist. Die Steuerungsvorrichtung 150 kann mehrere Motorsteuereinheiten (ECU) enthalten und das Steuerungsvorrichtungssystem kann auf jede von den ECUs verteilt sein. Die Steuerungsvorrichtung 150 enthält ferner computerlesbare Speichermedien, wie z. B. einen Speicher 154, mit Instruktionen (z. B. computerausführbare Instruktionen), um eine Bordüberwachung und Steuerungsvorrichtung des Schienenfahrzeugbetriebs zu ermöglichen. Der Speicher 154 kann einen flüchtigen und einen nicht-flüchtigen Speicherbereich enthalten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerungsvorrichtung hardwarebasierend sein, indem beispielsweise digitale Signalprozessoren (DSPs) oder eine andere Hardwarelogikschaltung verwendet werden, um die hierin beschriebenen verschiedenen Funktionen auszuführen.
  • Die Steuerungsvorrichtung kann die Steuerungsvorrichtung und Verwaltung des Fahrzeugsystems 100 überwachen. Die Steuerungsvorrichtung kann ein Signal aus einem Drehzahlsensor 160 des Motors oder von verschiedenen Generatorsensoren 170 empfangen, um Betriebsparameter und Betriebsbedingungen zu ermitteln und dementsprechend verschiedene Motoraktuatoren 162 einzustellen, um den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 zu steuern. Gemäß einer Ausführungsform enthält der Drehzahlsensor ein mit der Motorwelle 111 verbundenes mehrzahniges Aufnehmerrad und einen Reluktanzsensor zum Messen, wenn ein Zahn des Aufnehmerrades den Reluktanzsensor passiert. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung verschiedene Generatorparameter repräsentierende Signale aus verschiedenen Generatorsensoren empfangen. Die Generatorparameter können eine DC-Zwischenkreisspannung, einen DC-Zwischenkreisstrom, eine Generatorfeldspannung, einen Generatorfeldstrom, eine Generatorausgangsspannung und einen Generatorausgangsstrom umfassen. Weitere Generatorparameter können ebenfalls gemäß verschiedenen Ausführungsformen möglich sein. Dementsprechend kann die Steuerungsvorrichtung das Fahrzeugsystem steuern, indem sie Befehle an verschiedene Komponenten wie z. B. Traktionsmotoren, den Drehstromgenerator, an Zylinderventile, Drosselklappe usw. sendet. Signale aus den Generatorsensoren 170 können zu einem oder mehreren Kabelbäume gebündelt werden, um den für die Verdrahtung vorgesehenen Raum im Fahrzeugsystem 100 zu reduzieren und um die Signaldrähte vor Abrieb und Schwingung zu schützen.
  • Die Steuerungsvorrichtung kann eine an Bord vorhandene Elektronikdiagnostik zur Aufzeichnung von Betriebseigenschaften des Motors enthalten. Betriebseigenschaften können beispielsweise Messwerte aus den Sensoren 160 und 170 beinhalten. In einer Ausführungsform können die Betriebseigenschaften in einer Datenbank im Speicher 154 gespeichert sein. In einer Ausführungsform können aktuelle Betriebseigenschaften mit vorausgegangenen Betriebseigenschaften verglichen werden, um Trends des Motorverhaltens zu ermitteln.
  • Die Steuerungsvorrichtung kann eine an Bord befindliche elektronische Diagnostik zum Identifizieren und Aufzeichnen einer möglichen Verschlechterung und von Fehlern von Komponenten des Fahrzeugsystems 100 enthalten. Beispielsweise kann, wenn eine möglicherweise verschlechterte Komponente identifiziert wird, ein Diagnosecode im Speicher 154 gespeichert werden. In einer Ausführungsform kann ein eindeutiger Diagnosecode jedem Verschlechterungstyp entsprechen, der durch die Steuerungsvorrichtung identifiziert werden kann. Beispielsweise kann ein erster Diagnosecode ein Problem mit dem Zylinder 1 des Motors anzeigen und ein zweiter Diagnosecode kann ein Problem mit Zylinder 2 des Motors anzeigen.
  • Die Steuerungsvorrichtung kann ferner mit einer Anzeigeeinrichtung 180, wie z. B. einer Diagnoseschnittstellenanzeigeeinrichtung, verknüpft sein, die eine Benutzerschnittstelle für die Lokomotivenbetriebsmannschaft und Wartungsmannschaft bereitstellt. Die Steuerungsvorrichtung kann den Motor in Reaktion auf eine Benutzereingabe über Benutzereingabesteuerelemente 182 steuern, indem ein Befehl zum entsprechenden Einstellen verschiedener Motoraktuatoren 162 gesendet wird. Nicht-einschränkende Beispiele von Benutzereingabesteuerelementen 182 können eine Drosselklappensteuerungsvorrichtung, eine Bremssteuerungsvorrichtung, eine Tastatur und einen Leistungsschalter beinhalten. Ferner können Betriebseigenschaften des Motors, wie z. B. Diagnosecodes, die den verschlechterten Komponenten entsprechen, mittels der Anzeigeeinrichtung 180 der Betreiber- und/oder der Wartungsmannschaft gemeldet werden.
  • Das Fahrzeugsystem kann ein mit der Steuerungsvorrichtung verbundenes Kommunikationssystem 190 enthalten. In einer Ausführungsform kann das Kommunikationssystem 190 eine Funkvorrichtung und eine Antenne zum Senden und Empfangen von Sprach- und Datenmeldungen enthalten. Beispielsweise kann eine Datenkommunikation zwischen dem Fahrzeugsystem und einer Steuerungszentrale einer Eisenbahngesellschaft, einer weiteren Lokomotive, einem Satelliten und/oder einer Streckenvorrichtung wie z. B. einer Schienenweiche vorliegen. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung geographische Koordinaten des Fahrzeugsystems unter Verwendung von Signalen aus einem GPS-Empfänger abschätzen. Als ein weiteres Beispiel kann die Steuerungsvorrichtung Betriebseigenschaften des Motors über eine aus dem Kommunikationssystem 190 gesendete Meldung an die Steuerungszentrale übertragen. In einer Ausführungsform kann eine Meldung durch das Kommunikationssystem 190 an die Befehlszentrale übertragen werden, wenn eine verschlechterte Komponente des Motors detektiert wird und das Fahrzeugsystem kann zur Wartung vorgeplant werden.
  • 2 ist eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform des Motors 110 und des funktionell mit verschiedenen Hilfsaggregaten 140 (141, 142, 143, 144) und mit den Traktionsmotoren 130 verbundenen Generators 120 von 1. Die verschiedenen mechanischen Hilfsaggregate 144 können funktionell mit der rotierenden Motorwelle 111 verbunden und von dieser angetrieben sein. Weitere Hilfsaggregate 140 werden durch den Generator 120 über einen Gleichrichter 210 angetrieben, der eine DC-Zwischenkreisspannung für Stromregler 230 erzeugt. Beispiele von derartigen Hilfsaggregaten umfassen ein Gebläse 141, einen Verdichter 142 und ein Radiatorgebläse 143. Die Traktionsmotoren 130 werden durch den Generator 120 über den Gleichrichter 210 angetrieben, der eine DC-Zwischenkreisspannung an einem Umrichter 220 erzeugt. Derartige Hilfsaggregate 140, Traktionsmotoren 130 und deren Implementationen sind im Fachgebiet allgemein bekannt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann der Generator 120 tatsächlich nur einer oder mehrere Generatoren sein, wie z. B. ein Hauptgenerator zum Antreiben der Traktionsmotoren 130 und ein Hilfsgenerator zum Betreiben eines Teils der Hilfsaggregate 140. Ferner umfassen Beispiele von Hilfsaggregaten Turbolader, Pumpen und Motorkühlsysteme.
  • Der Drehzahlsensor 160 misst die Drehzahl der rotierenden Welle 111 des Motors während des Betriebs. Der DC-Zwischenkreissensor 171 ist ein Generatorsensor und kann eine DC-Zwischenkreisspannung, einen DC-Zwischenkreisstrom oder beides gemäß verschiedenen Ausführungsformen messen. Der Feldsensor 172 ist ein Generatorsensor und kann Feldstrom des Generators, Feldspannung des Generators oder beides gemäß verschiedenen Ausführungsformen messen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind Generatorsensoren 173 und 174 zum Messen der Ankerausgangsspannung bzw. des Generatorstroms vorgesehen. Geeignete kommerziell verfügbare Sensoren können auf der Basis anwendungsspezifischer Parameter ausgewählt sein.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerungsvorrichtung 150 so betrieben werden, dass sie einen verschlechterten Motorzustand, beispielsweise über das Kommunikationssystem 190, meldet. Ferner enthält die Steuerungsvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen Instruktionen, die dafür eingerichtet sind, einen Motorbetriebsparameter auf der Basis des diagnostizierten Zustandes anzupassen.
  • 3 ist eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform eines Verfahrens 300 zum Abschätzen eines Verbrennungsdrehmomentprofils eines Motors aus der Motordrehzahl und elektrischen Parametern des Generators. Im Schritt 310 wird das Motordrehzahlsignal durch die Steuerungsvorrichtung 150 (z. B. mittels des Drehzahlsensors 160) abgetastet. Im Schritt 320 wird das Trägheitsdrehmomentprofil des Motors aus der Motordrehzahl abgeschätzt. Im Schritt 330 werden ein Strom und/oder eine Spannung des Generators durch die Steuerungsvorrichtung 150 (z. B. mittels der Generatorsensoren 170) abgetastet. Im Schritt 340 werden der abgetastete Strom und/oder die Spannung durch ein Drehstromgeneratormodell geführt. Im Schritt 350 wird ein elektromagnetisches Drehmomentprofil des Generators aus dem Ausgang des Drehstromgeneratormodells abgeschätzt. Im Schritt 360 wird das Trägheitsdrehmomentprofil mittels des elektromagnetischen Drehmomentprofils modifiziert, um ein Verbrennungsdrehmomentprofil des Motors zu erzeugen. Im Schritt 370 wird das Verbrennungsdrehmomentprofil mit einem Ausgangskennlinien- oder erwarteten Motordrehmomentprofil verglichen.
  • 4 ist eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform, wie elektrische Parameter des Generators in ein elektromagnetisches Drehmomentprofil umzuwandeln sind. Eine DC-Zwischenkreisspannung und ein Generatorfeldstrom (z. B. gemessen durch die Generatorsensoren 171 und 172) werden in ein in der Steuerungsvorrichtung 150 implementiertes Drehstromgeneratormodell 410 eingespeist, welches ein Rückwärtsmodell 420 eines Gleichrichters 210 und ein Modell 430 eines Generators 120 enthält. Der Gleichrichter kann ein Diodengleichrichter, ein phasengesteuerter Gleichrichter, oder ein Impulsbreitenmodulations-(PWM)-Gleichrichter gemäß verschiedenen Ausführungsformen sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann anstelle eines Gleichrichters eine AC-Last direkt oder indirekt über gesteuerte Leistungselektronikvorrichtungen verbunden und rückwärtsgerichtet modelliert werden.
  • Das Rückwärtsmodell 420 schätzt die Generatorausgangsspannung aus der DC-Zwischenkreisspannung ab. Ebenso schätzt das Generatormodell 430 den Generatorausgangsstrom aus dem Feldstrom ab. Der Generatorausgangsstrom und die Spannung werden in einen Prozess 440 zur Abschätzung eines elektromagnetischen Drehmomentes eingespeist, der in der Steuerungsvorrichtung 150 implementiert ist. Der Prozess 440 zur Abschätzung des elektromagnetischen Drehmomentes verwendet die Generatorausgangsspannung und den Strom zusammen mit einer Anzeige der Drehzahl des Motors, um ein elektromagnetisches Drehmomentprofil abzuschätzen. Eine Anzeige der Drehzahl des Motors wird dazu genutzt, dem Drehmomentabschätzungsmodell 440 mitzuteilen, wo sich die interessierenden Oberwellenfrequenzen befinden. Die Motordrehzahl aus dem Drehzahlsensor 160 kann als ein Eingangssignal verwendet werden, oder der Frequenzgehalt (z. B. die sechste Oberwelle) aus dem Gleichrichter 210 (z. B. der Frequenzgehalt des DC-Zwischenkreisspannungssignals) kann als eine Anzeige der Drehzahl des Motors verwendet werden.
  • Demzufolge kann ein dem Generator zugeordnetes elektromagnetisches Drehmomentprofil aus der DC-Zwischenkreisspannung und dem Generatorfeldstrom abgeleitet werden. Alternativ könnten der DC-Zwischenkreisstrom und die Generatorfeldspannung mit entsprechenden Modellen verwendet werden, um den Generatorausgangsstrom aus dem DC-Zwischenkreisstrom und die Generatorausgangsspannung aus der Generatorfeldspannung abzuschätzen. Wenn die Generatorausgangsspannung und der Strom (aufgrund derartiger Sensoren auf dem Generator) bereits für die Steuerungsvorrichtung 150 zur Verfügung stehen, können das Rückwärtsmodell 420 und das Generatormodell 430 umgangen werden. Ferner kann, wenn eine weniger genaue Abschätzung des Drehmomentprofils akzeptabel ist, lediglich einer von den Parametern (DC-Zwischenkreisspannung, Generatorfeldstrom, Generatorfeldspannung, Generatorausgangsstrom, Generatorausgangsspannung) anstelle beider verwendet werden, um ein Drehmomentprofil abzuschätzen.
  • In einer Ausführungsform implementiert die Steuerungsvorrichtung einen Trägheitsdrehmomentabschätzungsprozess. 5 ist eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform, wie ein Trägheitsdrehmomentprofil aus der Drehzahl des Motors unter Verwendung eines Trägheitsdrehmomentprofilabschätzungsprozesses 510 der Steuerungsvorrichtung 150 zu erzeugen ist. Das Motorträgheitsdrehmomentprofil kann aus der Motordrehzahl abgeschätzt werden, indem die gemessene Drehzahl des Motors (z. B. aus dem Drehzahlsensor 160) über der Zeit abgetastet wird, Beschleunigungskomponenten (unter Beachtung der Ableitung der Drehzahl in Bezug auf die Zeit) aus der gemessenen Drehzahl bei vorbestimmten charakteristischen Frequenzen abgeleitet werden, und die Beschleunigungskomponenten zum Bestimmen des Trägheitsdrehmomentprofils kombiniert werden.
  • 6 ist eine Veranschaulichung einer Beispielausführungsform, wie ein Verbrennungsdrehmomentprofil des Motors abgeschätzt wird. Die Steuerungsvorrichtung 150 implementiert einen Motordrehmomentabschätzungsprozess 610, welcher das elektromagnetische Drehmomentprofil des Generators mit dem Trägheitsdrehmomentprofil des Motors mit den gegebenen Drehzahlschwankungen kompensiert, um ein genaues Verbrennungsdrehmomentprofil an dem Motorende zu erhalten. Gemäß Darstellung in 7 implementiert die Steuerungsvorrichtung 150 einen Drehmomentprofilvergleichsprozess 710, um das abgeschätzte Verbrennungsdrehmomentprofil des Motors mit einem erwarteten Messbasisdrehmomentprofil zu vergleichen. In einer Ausführungsform wird ein Schablonenvergleichs- oder Signaturvergleichsalgorithmus zur Durchführung des Vergleichs eingesetzt. Eine spezielle Abweichung von einem Messbasisdrehmomentprofil kann einer speziellen Verschlechterung einer Motorkomponente entsprechen (beispielsweise, welche Leistungsbaugruppenkomponente des Motors ausgefallen ist). Gemäß einer Ausführungsform zeigt das abgeschätzte Verbrennungsdrehmomentprofil ein Zylinderinnendruckprofil des Motors an. Daher ermöglicht das Verfahren 300 eine genaue Vorhersage von Zylinderinnendruckprofilen von Motoren unter Verwendung vorhandener Motor- und Generatorsensoren.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Hubkolbenmotor zuerst in einen spezifizierten Betriebszustand oder Betriebsmodus gebracht werden, bevor der Verbrennungsdrehmomentabschätzungsprozess 300 ausgeführt wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Verbrennungsdrehmomentabschätzungsprozess 300 nicht ausgeführt, bis der Motor einen vorbestimmten Betriebszustand, Status oder Modus während des normalen Betriebs erreicht, wobei die Steuerungsvorrichtung ausgelöst wird, um den Drehmomentabschätzungsprozess und einen anschließenden Vergleich des abgeschätzten Drehmomentprofils mit dem Messbasisdrehmomentprofil durchzuführen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerungsvorrichtung 150 so betrieben werden, dass sie einen Zustand eines verschlechterten Motors beispielsweise über das Kommunikationssystem 190 meldet. Ferner enthält die Steuerungsvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen Instruktionen, die dafür eingerichtet ist, einen Motorbetriebsparameter auf der Basis des diagnostizierten Zustandes anzupassen.
  • Ein Prüfsatz kann vorgesehen sein, welcher eine Steuerungsvorrichtung enthält, die so betrieben werden kann, dass sie einen Zustand eines funktionell mit einem Generator verbundenen Hubkolbenmotors auf der Basis eines Vergleichs eines abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils eines Motors mit einem erwarteten Motordrehmomentprofil bestimmen kann. Der Satz enthält auch wenigstens einen Sensor, um wenigstens einen elektromagnetischen Parameter (z. B. die DC-Zwischenkreisspannung und/oder Generatorfeldstrom) zu messen, der dem Generator zugeordnet ist. Die Steuerungsvorrichtung kann so betrieben werden, dass sie mit den Sensoren kommuniziert und den elektromagnetischen Parameter über der Zeit abtastet. Die Steuerungsvorrichtung kann auch so betrieben werden, dass sie ein elektromagnetisches Drehmomentprofil aus den elektromagnetischen Parametern abschätzt. Der Satz kann ferner einen Sensor zum Messen einer Wellendrehzahl des Hubkolbenmotors enthalten. Die Steuerungsvorrichtung kann so betrieben werden, dass sie mit dem Sensor kommuniziert, um die Wellendrehzahl über der Zeit abzutasten. Die Steuerungsvorrichtung kann ferner so betrieben werden, dass sie ein Trägheitsdrehmomentprofil aus der Wellendrehzahl abschätzt. Die Steuerungsvorrichtung kann auch so betrieben werden, dass sie das abgeschätzte Verbrennungsdrehmomentprofil des Motors aus dem elektromagnetischen Drehmomentprofil und dem Trägheitsdrehmomentprofil abschätzt.
  • Weitere Beispiele von Anwendungen von hierin beschriebenen Systemen und Verfahren werden nun bereitgestellt. Die Beispiele veranschaulichen verschiedene Lösungsansätze zum Diagnostizieren und Unterscheiden zwischen unterschiedlichen Typen einer Motorverschlechterung auf der Basis eines aus Generatorparametern und der Drehzahl des Motors abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils eines Motors.
  • Der Motor kann mehrere Zylinder enthalten, die in einer vorbestimmten Sequenz zünden, wobei jeder Zylinder einmal während eines Viertakt- oder Zweitaktzyklus zündet. Beispielsweise kann ein Vierzylinder-Viertakt-Motor eine Zündsequenz von 1 – 3 – 4 – 2 haben, wobei jeder Zylinder einmal bei jeweils zwei Umdrehungen des Motors zündet. Somit ist die Zündfrequenz eines gegebenen Zylinders eine Hälfte der Umdrehungsfrequenz des Motors und die Zündfrequenz aller Zylinder ist die doppelte Umdrehungsfrequenz des Motors. Die Umdrehungsfrequenz des Motors kann als die erste Motorordnung beschrieben werden. Eine derartige Frequenzkomponente erster Ordnung kann in dem Frequenzgehalt des gemessenen Generatorparameters erscheinen. Die Zündfrequenz eines gegebenen Zylinders eines Viertaktmotors kann als die hälftige Motorordnung beschrieben werden, wobei die hälftige Motorordnung eine Hälfte der Umdrehungsfrequenz des Motors ist. Eine derartige Frequenzkomponente halber Ordnung kann in dem Frequenzgehalt des gemessenen Generatorparameters erscheinen.
  • Ein weiteres Beispiel eines Viertaktmotors, ein Zwölfzylindermotor, kann eine Zündsequenz von 1 – 7 – 5 – 11 – 3 – 9 – 6 – 12 – 2 – 8 – 4 – 10 haben, wobei jeder Zylinder einmal bei jeweils zwei Umdrehungen des Motors zündet. Somit ist die Zündfrequenz eines gegebenen Zylinders eine Hälfte der Umdrehungsfrequenz des Motors und die Zündfrequenz aller Zylinder ist das Sechsfache der Umdrehungsfrequenz des Motors. Als ein Beispiel eines Zweitaktmotors kann ein Zwölfzylindermotor eine Zündsequenz von 1 – 7 – 5 – 11 – 3 – 9 – 6 – 12 – 2 – 8 – 4 – 10 haben, wobei jeder Zylinder einmal pro Umdrehung des Motors zündet. Somit ist die Zündfrequenz eines gegebenen Zylinders die Umdrehungsfrequenz des Motors und die Zündfrequenz jedes beliebigen Zylinders ist das Zwölffache der Umdrehungsfrequenz des Motors. Wiederum können diese Frequenzkomponenten in dem Frequenzgehalt des gemessenen Generatorparameters erscheinen.
  • Beispielsweise kann der Motor ein bei 1050 UpM arbeitender Viertaktmotor sein. Somit liegt die erste Motorordnung bei 17,5 Hz und die hälftige Motorordnung liegt bei 8,75 Hz. Die DC-Zwischenkreisspannung kann sich mit einer periodischen Frequenz verändern wie sich die Motorwelle 111 während des Betriebs dreht. Beispielsweise kann der Frequenzgehalt der DC-Zwischenkreisspannung eine Frequenzkomponente bei der Frequenz der ersten Motorordnung enthalten. Mit anderen Worten, die Spitzengröße des Frequenzgehaltes kann bei der Frequenzkomponente erster Ordnung erscheinen. Die DC-Zwischenkreisspannung kann auch einen Frequenzgehalt bei anderen Oberwellen der Frequenz erster Ordnung enthalten, wie z. B. bei einer Frequenz zweiter Ordnung (doppelte Motorfrequenz), einer Frequenz dritter Ordnung (dreifache Motorfrequenz) usw. Ebenso kann die DC-Zwischenkreisspannung einen Frequenzgehalt bei Frequenzen kleiner als der Frequenz erster Ordnung enthalten, wie z. B. bei der Frequenz halber Ordnung (halbe Motorfrequenz).
  • In einer Ausführungsform kann ein verschlechterter Zylinder eines Viertaktmotors auf der Basis eines Vergleichs des abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils des Motors mit einem erwarteten oder Messbasisdrehmomentprofil des Motors detektiert werden. Die Detektion eines verschlechterten Zylinders, wobei die anderen Zylinder des Motors besser sind (oder weniger verschlechtert), kann ein besser übereinstimmendes Drehmomentprofil haben als dann, wenn mehrere Zylinder des Motors verschlechtert sind. Beispielsweise kann ein verschlechterter Zylinder identifiziert werden, indem ein Abschnitt des abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils mit demselben Abschnitt eines Messbasisdrehmomentprofils verglichen wird. Jedoch können mehrere verschlechterte Zylinder Abweichungen in mehreren Abschnitten des Verbrennungsdrehmomentprofils bewirken. Ferner kann die Position in der Zündreihenfolge mehrerer verschlechterter Zylinder die Abschnitte des abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils verändern, welche von dem Messbasisdrehmomentprofil abweichen. Beispielsweise können zwei um 180 Grad phasenverschobene verschlechterte Zylinder andere Abschnitte des Drehmomentprofils beeinflussen, als zwei verschlechterte Zylinder in aufeinanderfolgender Zündfolge und somit können die hierin offengelegten Verfahren einen oder mehrere verschlechterte Zylinder auf der Basis verschiedener Veränderungen in dem abgeschätzten Drehmomentprofil identifizieren. Anomalien, die nicht mit dem Messbasisdrehmomentprofil eines gesunden Motors übereinstimmen, oder eine andere verschlechterte Motorkomponente können beispielsweise identifiziert und durch die Steuerungsvorrichtung gemeldet werden. Weitere Beispiele verschlechterter Motorkomponenten beinhalten ein verschlechtertes Kurbelgehäuseentlüftungssystem, einen verschlechterten Turbolader und ein verschlechtertes Kurbelwellengehäuse.
  • In einer Ausführungsform können die Zeitbereichs-Generatordaten (z. B. die DC-Zwischenkreisspannung und der Feldstrom) durch ein Tiefpassfilter mit einer Begrenzungsfrequenz etwas höher als die Frequenz erster Ordnung des Motors gefiltert werden. Beispielsweise kann die Grenzfrequenz 10 bis 20 Prozent höher als die der Frequenz der ersten Ordnung sein. Somit kann in einer Ausführungsform die Grenzfrequenz durch die Motordrehzahl bestimmt sein. Die Generatordaten können zeitlich mit einer Frequenz höher gleich oder gleich der Nyquist-Rate abgetastet werden. In einer Ausführungsform kann das Zeitbereichssignal mit einer Frequenz höher als das Zweifache der Frequenz der ersten Motorordnung abgetastet werden. In einer Ausführungsform kann das Zeitbereichssignal mit einer Frequenz größer als dem Zweifachen der Grenzfrequenz des Motors abgetastet werden. Somit kann durch die Tiefpassfilterung und Abtastung bei einer Frequenz höher oder gleich der Nyquist-Rate der Frequenzgehalt der Generatordaten nicht verfälscht werden. Dasselbe kann für die Drehzahldaten des Motors zutreffen.
  • 8 ist eine Veranschaulichung von Beispielausführungsformen, wie der Frequenzgehalt eines Zeitbereichsdrehmomentprofils erzeugt werden kann, welcher zur Motordiagnose verwendet werden kann. Das abgeschätzte Verbrennungsdrehmomentprofil des Motors (Zeitbereichsdaten) kann in einem Fourier-Transformationsprozess 810 (z. B. einen Schnellen Fourier-Transformationsprozess (FFT) oder einem Bandpassfilterungsprozess 820 eingegeben werden, um den Frequenzbereichgehalt des abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils des Motors zu extrahieren. Ferner können Generatorsignale (z. B. die DC-Zwischenkreisspannung) und das Motordrehzahlsignal verarbeitet werden, um den Frequenzgehalt in einer ähnlichen Weise zu extrahieren.
  • Wie hierin diskutiert, können die abgetasteten Generatordaten (z. B. die DC-Zwischenkreisspannung, das Drehmoment usw.) transformiert werden, um einen Frequenzbereichs-Frequenzgehalt zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet werden, um den Frequenzbereichs-Frequenzgehalt zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Bandpassfilterungsprozess verwendet werden, um den Frequenzbereichsgehalt zu erzeugen. Der Frequenzanalyseprozess transformiert die abgetasteten Zeitbereichsparameter in den Frequenzgehalt in dem Frequenzbereich. Die verschiedenen Frequenzkomponenten des Frequenzgehaltes können DC-(nullter Ordnung), Grund-(erster Ordnung) und Oberwellen-(zweiter Ordnung, halber Ordnung, dritter Ordnung usw.) Frequenzkomponenten enthalten. Gemäß einer Ausführungsform enthalten der schnelle Fourier-Transformationsprozess und der Bandpassfilterprozess computerausführbare Instruktionen, die durch den Prozessor 152 ausgeführt werden.
  • In einer Ausführungsform kann ein Korrelationsalgorithmus angewendet werden, um den Frequenzgehalt der Generatordaten mit einer Signatur für einen Zustand des Motors zu vergleichen. Beispielsweise kann die Signatur für einen gesunden Motor einen Frequenzgehalt bei der Frequenz erster Ordnung mit einer Größe unterhalb einem Schwellenwert erster Ordnung und einen Frequenzgehalt bei der Frequenz halber Ordnung mit einer Größe unter einem Schwellenwert halber Ordnung enthalten. Der Schwellenwert erster Ordnung kann der Motordrehzahl, Motorbelastung, Kurbelwellengehäusetemperatur und historischen Motordaten entsprechen. Ferner kann der Schwellenwertpegel T von einem Betriebszustand des Motors, wie z. B. Leistung, Drehzahl, Umgebungsbedingungen, Reparaturhistorie usw. abhängen.
  • Beispielsweise können die historischen Motor- und Generatordaten in einer Datenbank gespeichert sein, die Proben des Frequenzgehaltes von einem früheren Betrieb des Motors enthält. Somit kann ein Trend im Frequenzgehalt detektiert werden und der Trend kann zur Ermittlung des Gesundheitszustandes der Maschine verwendet werden. Beispielsweise kann eine zunehmende Größe bei der Komponente halber Ordnung des Motors für eine gegebene Motordrehzahl und Last anzeigen, dass sich ein Zylinder verschlechtert. Als ein weiteres Beispiel kann ein zunehmender durchschnittlicher Kurbelwellengehäusedruck in Verbindung mit einer zunehmenden Größe bei der Komponente halber Ordnung des Motors für eine gegebene Motordrehzahl und Belastung anzeigen, dass sich der Turbolader, oder das Kurbelwellengehäuse-Entlüftungssystem verschlechtern. Ein möglicher Fehler kann einen verschlechterten Zylinder, einen verschlechterten Turbolader oder ein verschlechtertes Kurbelgehäuseentlüftungssystem beinhalten.
  • In einer Ausführungsform kann der Frequenzgehalt des Verbrennungsdrehmomentprofils in einer Datenbank gespeichert sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Messbasisdrehmomentprofil in der Datenbank gespeichert sein. Beispielsweise kann die Datenbank im Speicher 154 der Steuerungsvorrichtung 150 gespeichert sein. Als ein weiteres Beispiel kann die Datenbank an einer Stelle außerhalb des Schienenfahrzeugs 106 gespeichert sein. Beispielsweise können historische Daten in einer Meldung eingeschlossen sein und mittels eines Kommunikationssystems 190 übertragen werden. Auf diese Weise kann die Befehlszentrale Schritte zur Diagnose des Zustandes des Motors unter Verwendung der mit dem Kommunikationssystem 190 übertragenen Verbrennungsdrehmomentprofildaten durchführen. Beispielsweise kann die Befehlszentrale geschätzte Verbrennungsdrehmomentprofildaten des Motors aus dem Schienenfahrzeug 106 empfangen, eine Frequenztransformation der Drehmomentprofildaten durchführen und eine mögliche Verschlechterung des Motors diagnostizieren. Alternativ kann die Befehlszentrale geschätzte Verbrennungsdrehmomentprofildaten des Motors aus dem Schienenfahrzeug 106 empfangen und einen Schablonenübereinstimmungsalgorithmus mit den abgeschätzten Daten anwenden (einen Vergleich mit einem Messbasisdrehmomentprofil durchführen) und eine potentielle Verschlechterung des Motors diagnostizieren. Ferner kann die Befehlszentrale eine Wartung planen und fehlerfreie Lokomotiven und Wartungspersonal in einer die Kapitalinvestition optimierenden Weise einsetzen. Historische Drehmomentprofildaten können ferner zur Bewertung der Gesundheit des Motors vor und nach Motorservice, Motormodifikation und Motorkomponentenaustausch verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform kann ein möglicher Fehler an die Lokomotivenbetriebsmannschaft über eine Anzeigeeinrichtung 180 gemeldet werden. Mit der Meldung kann die bedienende Person den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 anpassen, um die Möglichkeit einer weiteren Verschlechterung des Motors zu reduzieren. In einer Ausführungsform kann eine einen möglichen Fehler anzeigende Meldung mit dem Kommunikationssystem 190 an eine Befehlszentrale gesendet werden. Ferner kann die Schwere des möglichen Fehlers gemeldet werden. Beispielsweise kann die Diagnose eines Fehlers auf der Basis eines Vergleichs eines geschätzten Drehmomentprofils mit einem Messbasisdrehmomentprofil die Detektion eines Fehlers früher ermöglichen, als wenn der Fehler nur mit einer durchschnittlichen Motorinformation (z. B. nur der Drehzahlinformation) diagnostiziert wird. Somit kann der Motor weiterarbeiten, wenn ein potentieller Fehler in den frühen Stadien einer Verschlechterung diagnostiziert wird. Im Gegensatz dazu kann es wünschenswert sein, den Motor zu stoppen oder eine sofortige Wartung zu planen, wenn ein möglicher Fehler als schwer diagnostiziert wird. In einer Ausführungsform kann die Schwere eines potentiellen Fehlers abhängig von der Differenz zwischen einem Schwellenwert und der Größe einer oder mehreren Komponenten des Frequenzgehaltes des geschätzte, durch die Verbrennung in dem Motor hervorgerufene Motordrehmomentprofil ermittelt werden.
  • Durch Analysieren der abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofildaten kann es möglich sein, den Motor während des Betriebs zu überwachen und zu diagnostizieren. Ferner kann der Betrieb eines Motors mit einer verschlechterten Komponente angepasst werden, um möglicherweise eine zusätzliche Verschlechterung der Motorkomponente zu reduzieren und möglicherweise die Wahrscheinlichkeit eines zusätzlichen Motorfehlers und eines Fehlers im Betrieb zu reduzieren. Beispielsweise kann die Komponente halber Ordnung mit einem Schwellenwert halber Ordnung verglichen werden. In einer Ausführungsform kann, wenn die Größe der Komponente halber Ordnung größer als der Schwellenwert halber Ordnung ist, der mögliche Fehler ein verschlechterter Zylinder sein. Wenn jedoch die Größe der Komponente halber Ordnung nicht größer als der Schwellenwert halber Ordnung ist, kann der mögliche Fehler ein verschlechterter Turbolader oder ein verschlechtertes Kurbelwellengehäuseentlüftungssystem sein.
  • In einer Ausführungsform kann der mögliche Fehler an die Lokomotivenbetriebsmannschaft mittels einer Anzeigeeinrichtung 180 gemeldet werden und die Bedienungsperson kann den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 zum Reduzieren der Möglichkeit einer weiteren Verschlechterung anpassen. In einer Ausführungsform kann eine den möglichen Fehler diagnostizierende Meldung über das Kommunikationssystem 190 an eine Befehlszentrale übertragen werden.
  • In einer Ausführungsform kann ein Motorbetriebsparameter zum Identifizieren eines verschlechterten Zylinders angepasst werden. Beispielsweise kann der verschlechterte Zylinder auf der Basis einer selektiven Deaktivierung einer Kraftstoffeinspritzung zu einem oder mehreren Zylindern des Motors identifiziert werden. In einer Ausführungsform kann die Kraftstoffeinspritzung für jeden Zylinder von den mehreren Zylindern in einer Sequenz deaktiviert werden, während eines oder mehrere von den Generatordatenelementen und der zugeordnete Frequenzgehalt überwacht werden. Beispielsweise kann eine Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder deaktiviert werden, während die anderen Zylinder normal arbeiten. Durch Deaktivieren jedes Zylinders in einer Sequenz kann der verschlechterte Zylinder identifiziert werden. Als ein weiteres Beispiel kann die Kraftstoffeinspritzung in eine Gruppe von Zylindern deaktiviert werden, während die anderen Zylinder normal arbeiten. Mittels eines Zyklus durch verschiedene Gruppen in einer Sequenz kann der verschlechterte Zylinder durch einen Eliminationsprozess identifiziert werden.
  • In einem Beispiel kann die Frequenzkomponente halber Ordnung der Drehmomentprofildaten für jeden deaktivierten Zylinder eines Viertaktmotors überwacht werden. Der deaktivierte Zylinder kann ein verschlechterter Zylinder sein, wenn die Frequenzkomponente halber Ordnung unter einen Schwellenwert halber Ordnung absinkt, während der Zylinder deaktiviert ist. Der deaktivierte Zylinder kann ein gesunder Zylinder sein, wenn die Frequenzkomponente halber Ordnung über dem Schwellenwert halber Ordnung bleibt, während der Zylinder deaktiviert ist. Mit anderen Worten, der verschlechterte Zylinder kann der Zylinder sein, der einen höheren Frequenzanteil bei der Frequenzkomponente halber Ordnung beiträgt als andere Zylinder. In einer Ausführungsform kann die selektive Deaktivierungsdiagnose durchgeführt werden, wenn der Motor im Leerlauf oder bei leichter Belastung arbeitet.
  • In einer Ausführungsform kann der verschlechterte Zylinder auf der Basis einer selektiven Veränderung der Kraftstoffeinspritzung in einen oder mehrere Zylinder des Motors identifiziert werden. Beispielsweise kann der Kraftstoff für jeden Zylinder selektiv erhöht oder verringert werden, während die Frequenzkomponente halber Ordnung des abgeschätzten Drehmomentprofils überwacht wird. Ferner kann die Signatur, z. B. der Frequenzgehalt jedes Zylinders, mit historischen Daten für den Motor oder mit einem gesunden Motor verglichen werden. Beispielsweise kann der Diagnosetest an einem gesunden Motor durchgeführt werden, um eine Messbasissignatur zu erzeugen. Die Messbasissignatur kann dann mit dem Frequenzgehalt verglichen werden, während der Motor diagnostiziert wird. In einer Ausführungsform kann der verschlechterte Zylinder durch Verändern des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes identifiziert werden. Beispielsweise können Voreilungswinkelanpassungen verwendet werden, um den verschlechterten Zylinder zu diagnostizieren. Beispielsweise kann der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt verzögert werden, um möglicherweise den Frequenzgehalt der Frequenzkomponente halber Ordnung zu erhöhen.
  • Es kann erwünschter sein, den Motor abzuschalten, als einen Ausfall des verschlechterten Zylinders in einer Art zu haben, der einen zusätzlichen Schaden an dem Motor verursachen kann. In einer Ausführungsform kann ein Schwellenwert ermittelt werden, der anzeigt, dass ein fortgesetzter Betrieb des Motors unerwünscht sein kann, da der mögliche Fehler schwerwiegend ist. Beispielsweise kann der mögliche Fehler als schwerwiegend beurteilt werden, wenn die Größe der Frequenzkomponente halber Ordnung einen Schwellenwert überschreitet.
  • Der Motor kann angehalten werden, wenn die Schwere des potentiellen Fehlers den Schwellenwert überschreitet.
  • Eine Anforderung zur Planung eines Service kann beispielsweise durch eine mittels des Kommunikationssystems 190 übertragene Meldung gesendet werden. Ferner kann durch Senden des möglichen Fehlerzustands und der Schwere des möglichen Fehlers die Ausfallzeit des Schienenfahrzeugs 106 verringert werden. Beispielsweise kann der Service an dem Schienenfahrzeug 106 verzögert werden, wenn der potentielle Fehler von geringerer Schwere ist. Die Ausfallzeit kann ferner durch Verringern der Leistung des Motors, wie z. B. durch Einstellung eines Motorbetriebsparameters, auf der Basis des diagnostizierten Zustandes reduziert werden. Es kann festgestellt werden, ob eine Leistungsverringerung des Motors aktiviert ist. Beispielsweise kann eine Verringerung der Leistung des Motors die Größe von einer oder mehreren Komponenten des Frequenzgehaltes der abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofildaten verringern.
  • Ein Motorbetriebsparameter kann angepasst werden, um so beispielsweise eine zusätzliche Verschlechterung der verschlechterten Komponente zu reduzieren. In einer Ausführungsform kann die Motordrehzahl oder Leistung begrenzt werden. In einer Ausführungsform kann die Kraftstoffeinspritzung in den möglicherweise verschlechterten Zylinder reduziert oder deaktiviert werden, während der Betrieb der anderen Zylinder fortgesetzt wird. Somit kann der Motor weiterarbeiten und eine weitere Verschlechterung des verschlechterten Zylinders kann verringert werden. Auf diese Weise kann der Motor angepasst werden, um möglicherweise eine zusätzliche Verschlechterung der Motorkomponente zu verringern und möglicherweise die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Motorausfalls und Streckenausfalls reduziert werden.
  • In einer Ausführungsform kann ein Prüfsatz zum Abschätzen eines Verbrennungsdrehmomentprofils des Motors und zur Diagnose eines Zustandes des Motors auf der Basis des abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils verwendet werden. Beispielsweise kann ein Prüfsatz eine Steuerungsvorrichtung enthalten, die so betrieben werden kann, dass sie mit einem oder mehreren Generatorsensoren kommuniziert und so betrieben werden kann, dass sie die zugeordneten Generatordaten abtastet. Die Steuerungsvorrichtung kann ferner so betrieben werden, dass sie Signale von einem oder mehreren Generatorsensoren in ein elektromagnetisches Drehmomentprofil des Generators transformiert. Die Steuerungsvorrichtung kann ferner so betrieben werden, dass sie ein Trägheitsdrehmomentprofil des Motors aus der von dem Drehzahlsensor gemessenen Motordrehzahl ableitet und das Trägheitsdrehmomentprofil auf der Basis des elektromagnetischen Drehmomentprofils modifiziert, um ein Verbrennungsdrehmomentprofil des Motors abzuschätzen. Die Steuerungsvorrichtung kann ferner so betrieben werden, dass sie einen Zustand des Motors auf der Basis des abgeschätzten Verbrennungsdrehmomentprofils diagnostiziert. Der Prüfsatz kann ferner einen oder mehrere Sensoren zum Messen von Generatorparametern (z. B. Generatorausgangsspannung) und/oder Motorparametern (z. B. Motordrehzahl) enthalten.
  • In der Beschreibung und den Ansprüchen wird auf eine Anzahl von Begriffen Bezug genommen, die die nachstehenden Bedeutungen haben. Die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” beinhalten Plural-Bezugnahmen, soweit es der Kontext nicht deutlich anders vorgibt. Eine approximierende Sprache, so wie sie hierin durchgängig durch die Beschreibung und Ansprüche verwendet wird, kann angewendet werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die erlaubterweise variieren kann, ohne zu einer Veränderung in der Grundfunktion zu führen, auf welche sie sich bezieht. Demzufolge ist ein durch einen Begriff oder Begriffe, wie z. B. ”etwa” modifizierter Wert nicht auf den angegebenen genauen Wert beschränkt. In einigen Fällen kann die approximierende Sprache der Genauigkeit eines Instrumentes zum Messen des Wertes entsprechen. In ähnlicher Weise kann ”frei von” in Kombination mit einem Begriff verwendet werden, und kann ein unbedeutende Anzahl oder Spurenmengen beinhalten, während es gleichzeitig als frei von dem modifizierten Begriff betrachtet wird. Ferner bezeichnet, sofern nicht speziell anderweitig festgestellt, jede Verwendung der Begriffe ”erster”, ”zweiter usw.” keine Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern statt desen sollen die Begriffe ”erster”, ”zweiter usw.” zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet werden.
  • So wie hierin verwendet, zeigen die Begriffe ”kann” und ”kann sein” eine Möglichkeit eines Auftretens innerhalb einer Gruppe von Umständen an; eines Besitzes einer spezifizierten Eigenschaft, Charakteristik oder Funktion; und/oder qualifizieren ein weiteres Verb durch Ausdrücken von einem oder mehreren von einer dem qualifizierten Verb zugeordneten Fähigkeit, Tauglichkeit oder Möglichkeit. Demzufolge zeigt die Verwendung von ”kann” und ”kann sein” an, dass ein modifizierter Begriff offensichtlich angemessen, tauglich, oder für eine angegebene Fähigkeit, Funktion oder Nutzung geeignet ist, während in Betracht gezogen wird, dass unter bestimmten Umständen der modifizierte Begriff manchmal nicht angemessen, tauglich oder geeignet sein kann. Beispielsweise können unter bestimmten Umständen ein Ereignis oder eine Tauglichkeit erwartet werden, während unter anderen Umständen das Ereignis oder die Tauglichkeit nicht vorliegen kann – wobei diese Unterscheidung durch die Begriffe ”kann” und ”kann sein” erfasst wird. Die Begriffe ”Generator” und ”Drehstromgenerator” werden hierin vertauschbar verwendet (wobei jedoch erkennbar ist, dass der eine Begriff oder der andere abhängig von der Anwendung geeigneter sein kann). Die Begriffe ”Frequenzgehalt” und ”Oberwellengehalt” werden hierin vertauschbar verwendet und können Grundfrequenz-(und/oder Phasen-)Komponenten und zugeordnete Oberwellenfrequenz (und/oder Phasen) Komponenten über und unter den Grundkomponenten bezeichnen. Der Begriff ”Instruktionen”, wie er hierin in Bezug auf eine Steuerungsvorrichtung oder einen Prozessor verwendet wird, kann sich auf computerausführbare Instruktionen beziehen.
  • Die hierein beschriebenen Ausführungsformen sind Beispiele von Gegenständen, System und Verfahren, die Elementen der in den Ansprüchen vorgetragenen Erfindung entsprechen. Diese Beschreibung kann dem Fachmann ermöglichen, Ausführungsformen mit alternativen Elementen, die ebenfalls den Elementen der in Ansprüchen vorgetragenen Erfindung entsprechen, auszuführen und zu nutzen. Der Schutzumfang der Erfindung beinhaltet somit Gegenstände, Systeme und Verfahren, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, und beinhaltet ferner weitere Gegenstände, Systeme und Verfahren mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche. Obwohl nur bestimmte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann ersichtlich sein. Die beigefügten Ansprüche decken allederartigen Modifikationen und Änderung ab.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Fahrzeugsystem
    102
    Schiene
    106
    Schienenfahrzeug
    108
    Räder
    110
    Motor
    111
    Motorwelle
    120
    Generator (Drehstromgenerator)
    130
    Traktionsmotor(en)
    140
    Hilfssysteme
    141
    Lüfter
    142
    Verdichter
    143
    Radiatorgebläse
    144
    mechanisch angetriebene Hilfsaggregate
    150
    Steuerungsvorrichtung
    152
    Prozessor
    154
    Speicher
    160
    Drehzahlsensor
    162
    Motoraktuatoren
    170
    Generatorsensor(en)
    171
    DC-Zwischenkreissensor
    172
    Feldsensor
    173
    Generatorausgangsspannungssensor
    174
    Generatorausgangsstromsensor
    180
    Anzeigeeinrichtung
    182
    Benutzereingangssteuerelemente
    190
    Kommunikationssystem
    210
    Gleichrichter
    220
    Umrichter
    230
    Leistungsregler
    300
    Verfahren
    320
    Verfahrensschritt
    330
    Verfahrensschritt
    340
    Verfahrensschritt
    350
    Verfahrensschritt
    360
    Verfahrensschritt
    370
    Verfahrensschritt
    410
    Drehstromgeneratormodell
    420
    Rückwärtsmodell des Gleichrichters
    430
    Generatormodell
    440
    Abschätzungsprozess für elektromagnetisches Drehmoment
    510
    Abschätzungsprozess für Trägheitsdrehmoment
    610
    Abschätzungsprozess für Motordrehmoment
    710
    Drehmomentvergleichsprozess
    810
    FFT-Prozess
    820
    Bandpassfilterungsprozess

Claims (15)

  1. Verfahren für einen funktionell mit einem Generator (120) verbundenen Hubkolbenmotor (110), mit dem Schritt: Diagnostizieren eines Zustandes des Motors (110) durch Vergleichen eines abgeschätzten, durch die Verbrennung in einem Motor (110) hervorgerufenen Motordrehmomentprofils mit einem erwarteten Motordrehmomentprofil.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das abgeschätzte, durch die Verbrennung in dem Motor (110) hervorgerufene Motordrehmomentprofil aus einem elektromagnetischen Drehmoment des Generators (120) und einem Trägheitsdrehmoment des Hubkolbenmotors (110) abgeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das elektromagnetische Drehmoment aus wenigstens einem dem Generator (120) zugeordneten elektrischen Parameter abgeleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der wenigstens eine elektrische Parameter wenigstens einen von einer Spannung eines DC-Zwischenkreises (171), einem Strom eines DC-Zwischenkreises (171), einer Feldspannung des Generators (120), einem Feldstrom des Generators (120), einer Ausgangsspannung des Generators (120) und einem Ausgangsstrom des Generators (120) beinhaltet.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Trägheitsdrehmoment von der Drehzahl der rotierenden Welle (111) des Hubkolbenmotors (110) abgeleitet wird.
  6. Verfahren für einen funktionell mit einem Generator (120) verbundenen Hubkolbenmotor (110), mit dem Schritt: Diagnostizieren eines Zylinderinnendruckprofils des Motors (110) durch Vergleichen eines abgeschätzte, durch die Verbrennung in dem Motor (110) hervorgerufenen Motordrehmomentprofils mit einem erwarteten Motordrehmomentprofil.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das abgeschätzte, durch die Verbrennung in dem Motor (110) hervorgerufene Motordrehmomentprofil aus einem elektromagnetischen Drehmoment des Generators (120) und einem Trägheitsdrehmoment des Hubkolbenmotors (110) abgeleitet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das elektromagnetische Drehmomentprofil aus wenigstens einem dem Generator (120) zugeordneten elektrischen Parameter abgeleitet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der wenigstens eine elektrische Parameter wenigstens einen von einer Spannung eines DC-Zwischenkreises (171), einem Strom eines DC-Zwischenkreises (171), einer Feldspannung des Generators (120), einem Feldstrom des Generators (120), einer Ausgangsspannung des Generators (120) und einem Ausgangsstrom des Generators (120) beinhaltet.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trägheitsdrehmomentprofil von der Drehzahl der rotierenden Welle (111) des Hubkolbenmotors (110) abgeleitet wird.
  11. Fahrzeugsystem (100), aufweisend: einen Motor (110); einen funktionell mit dem Motor (110) verbundenen Generator (120); wenigstens einen Sensor (170) zum Messen wenigstens eines dem Generator (120) zugeordneten elektrischen Parameters während des Betriebs; einen Sensor (160) zum Messen der Drehzahl einer rotierenden Welle (111) des Motors (110); und eine Steuerungsvorrichtung (150) mit Instruktionen, die dafür eingerichtet sind: den wenigstens einen elektrischen Parameter abzutasten und in ein elektromagnetisches Drehmomentprofil zu transformieren; die Drehzahl der rotierenden Welle (111) abzutasten und in ein Trägheitsdrehmomentprofil zu transformieren; und aus dem elektromagnetischen Drehmomentprofil und dem Trägheitsdrehmomentprofil das durch die Verbrennung in dem Motor (110) hervorgerufene Motordrehmomentprofil abzuschätzen.
  12. Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt der Diagnose eines Zustandes des Motors (110) durch Vergleichen des abgeschätzten, durch die Verbrennung in dem Motor (110) hervorgerufenen Motordrehmomentprofils mit einem erwarteten Drehmomentprofil des Motors (110).
  13. Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 12, wobei die Steuerungsvorrichtung (150) dazu betrieben werden kann, einen verschlechterten Zustand des Motors (110) zu melden.
  14. Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 12, wobei die Steuerungsvorrichtung (150) ferner Instruktionen enthält, die dafür eingerichtet sind, einen Betriebsparameter des Motors (110) auf der Basis des diagnostizierten Zustandes anzupassen.
  15. Fahrzeugsystem (100) nach Anspruch 11, das ferner den Schritt einer Diagnose eines Zylinderinnendruckprofils des Motors (110) durch Vergleichen des abgeschätzten, durch die Verbrennung in dem Motor (110) hervorgerufenen Motordrehmomentprofils mit einem erwarteten Drehmomentprofil des Motors (110) aufweist.
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