JP6302406B2 - エンジンを診断するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、エンジンを診断するためのシステムおよび方法に関するものである。

エンジンの構成要素は、動作中いろいろに劣化する可能性がある。例えばエンジンのシリンダは、点火プラグが消耗することにより、点火不良が始まることがある。エンジン劣化を検出する手法の１つはエンジン回転速度を監視することである。診断ルーチンは、エンジン回転速度の成分が閾値を超えて上昇するかどうか監視することができ、点検、エンジン出力の低下、またはエンジンの運転停止を要求する診断コードまたは他の指標を生成する。しかし、本明細書の発明者は、エンジンの問題をもれなく診断するにはエンジン回転速度の分析では大抵の場合不十分であると理解している。

米国特許出願公開第２０１１／０１５３１２８号明細書

一実施形態では、発電機に運転可能に接続されたレシプロエンジンのための方法が開示される。この方法は、エンジンの推定燃焼トルクプロファイルを、予期されたエンジンのトルクプロファイルと比較することにより、エンジンの状態を診断するステップを含む。

一実施形態では、発電機に運転可能に接続されたレシプロエンジンのための方法が開示される。この方法は、エンジンの推定燃焼トルクプロファイルを予期されたエンジンのトルクプロファイルと比較することにより、エンジンのシリンダ内圧プロファイルを診断するステップを含む。

一実施形態では、車両システムが開示される。この車両システムは、エンジンと、エンジンに動作可能に接続された発電機と、動作中の発電機に関連した少なくとも１つの電気的パラメータを測定するための少なくとも１つのセンサと、エンジンの回転シャフトの速度を測定するためのセンサと、コントローラとを含む。このコントローラが含む命令は、少なくとも１つの電気的パラメータをサンプリングして電磁トルクに変換し、回転シャフトの速度をサンプリングして慣性トルクプロファイルに変換し、電磁トルクプロファイルおよび慣性トルクプロファイルからエンジンの燃焼トルクプロファイルを推定するように構成されている。

一実施形態では、検査キットが提供される。この検査キットが含んでいるコントローラは、エンジンの推定された燃焼トルクプロファイルと予期されたエンジンのトルクプロファイルとの比較に基づいて、発電機に運転可能に結合されたレシプロエンジンの状態を判断するように動作可能である。

この簡単な説明は、本明細書おいて以下でさらに説明される簡易化された概念の選択を導入するために提供されるものである。この簡単な説明は、特許請求される内容の主要な特徴または基本的な特徴を識別したり、特許請求される内容の範囲を限定したりするように意図されたものではない。さらに、特許請求される内容は、本開示のいずれかの部分で示される不利益のいずれかまたはすべてを解決する実装形態に限定されるものではない。

本発明は、添付図面を参照しながら限定的でない実施形態の以下の説明を読むことから理解されよう。

本明細書で複数のホイールによってレール上を走るように構成されている鉄道車両として描かれた、エンジンおよび発電機（交流発電機）を有する車両システム（例えば機関車システム）の例示的実施形態の図である。 種々の補助装置および走行用電動機に動作可能に接続された図１のエンジンおよび発電機の例示的実施形態の図である。 エンジン回転速度および発電機の電気的パラメータからエンジンの燃焼トルクプロファイルを推定するやり方の例示的実施形態の図である。 発電機の電気的パラメータを電磁トルクプロファイルに変換するやり方の例示的実施形態の図である。 エンジン回転速度から慣性トルクプロファイルを生成するやり方の例示的実施形態の図である。 エンジンの燃焼トルクプロファイルを推定するやり方の例示的実施形態の図である。 エンジンの状態を診断するのにトルク比較処理を用いるやり方の例示的実施形態の図である。 エンジン診断に用いられ得る時間領域のトルクプロファイルの周波数成分を生成するやり方の例示的実施形態の図である。

本明細書に開示される主題の実施形態は、エンジンを診断するためのシステムおよび方法に関するものである。この方法を遂行するための検査キットも提供される。このエンジンは機関車システムなどの車両に含まれてよい。他の適切なタイプの車両には、オンロード車両、オフロード車両、鉱業設備、航空機、および船舶が含まれ得る。本発明の他の実施形態は、風力タービンまたは発電機などの定置エンジンに用いられてもよい。このエンジンはディーゼルエンジンでよく、または別の燃料もしくは燃料の組合せを燃焼させてもよい。そのような代替燃料には、ガソリン、灯油、バイオディーゼル燃料、天然ガス、およびエタノール、ならびにそれらの組合せが含まれ得る。適切なエンジンは、圧縮点火および／または火花点火を用いてよい。これらの車両には、使用とともに劣化する構成要素を有するエンジンが含まれることがある。

さらに、本明細書に開示される主題の実施形態は、エンジンの状態を診断し、状態と関連するエンジン構成要素の間を識別するために、測定された発電機の電気的パラメータおよび／またはエンジンパラメータ（例えば速度）から導出された、測定された発電機の電気的パラメータまたは発電機データ（例えば導出されたトルクプロファイル）などの発電機データを用いる。

エンジンは、特定のタイプのエンジン劣化を探すとき、特定の動作条件または動作モードで運転されてよい。例えば、エンジンは、テスト手順の一部分としての自己負荷状態、ダイナミックブレーキ（ｄｂ）設定状態、または定常状態のモニタリング状態で診断されてよい。本明細書で論じられる診断方法および予知方法は、傾向把握、シリンダ毎のばらつきの比較、テストプロシージャの遂行、修理の確認、修理の支援に用いることができる。あるいは、エンジンが通常動作中に特定の動作条件または動作状態に達したとき、発電機および／またはエンジンのデータをサンプリングして分析してもよい。

図１は、本明細書で鉄道車両１０６として図示された、複数のホイール１０８によってレール１０２上を走るように構成されている車両システム１００（例えば機関車システム）の例示的実施形態の図である。図示のように、鉄道車両１０６は、発電機（交流発電機）１２０に動作可能に接続されたエンジン１１０を含む。車両１０６は、ホイール１０８を駆動するための発電機１２０に動作可能に接続された走行用電動機１３０も含む。車両１０６は、種々の機能を遂行するために発電機１２０またはエンジン１１０に動作可能に接続された種々の補助システムまたは機器１４０（例えば回転可能なエンジンシャフト１１１。図２を参照されたい）をさらに含む。

車両１０６は、車両システム１００に関連する種々の構成要素を制御するためのコントローラ１５０をさらに含む。一例では、コントローラ１５０はコンピュータ制御システムを含む。一実施形態では、コンピュータ制御システムは主としてソフトウェアに基づくものであって、コンピュータ操作可能命令を実行するように構成されているプロセッサ１５２などのプロセッサを含む。コントローラ１５０は複数のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）を含んでよく、ＥＣＵのそれぞれの中に制御システムが配置されていてよい。コントローラ１５０は、鉄道車両動作の車両上での監視および制御を可能にするための命令（例えばコンピュータ実行可能命令）を含む記憶装置１５４などのコンピュータ可読記憶媒体をさらに含む。記憶装置１５４は、揮発性メモリおよび不揮発性メモリの記憶装置を含んでよい。別の実施形態によれば、コントローラは、本明細書で説明される種々の機能を遂行するための、例えばデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）または他のハードウェア論理回路を使用するハードウェアに基づくものでよい。

コントローラは、車両システム１００の制御および管理を監視してよい。コントローラは、鉄道車両１０６の動作を制御するために、動作パラメータおよび動作条件を求め、それに応じて種々のエンジンアクチュエータ１６２を調節するように、エンジンの速度センサ１６０または種々の発電機センサ１７０から信号を受け取ってよい。一実施形態によれば、速度センサは、エンジンシャフト１１１に接続された多歯ピックアップホイールと、ピックアップホイールの歯が磁気抵抗センサの近く通るときこれを感知するための磁気抵抗センサとを含んでいる。例えば、コントローラは、種々の発電機センサから種々の発電機パラメータを表す信号を受け取ってよい。発電機パラメータには、直流リンクの電圧、直流リンクの電流、発電機の界磁電圧、発電機の界磁電流、発電機の出力電圧、および発電機の出力電流が含まれ得る。様々な実施形態に従って、他の発電機パラメータも可能であり得る。それに応じて、コントローラは、走行用電動機、交流発電機、シリンダ弁、スロットルなどの様々な構成要素に命令を送ることによって車両システムを制御してよい。発電機センサ１７０からの信号は、車両システム１００の配線専用の空間を縮小し、信号線を摩滅および振動から保護するために、１つまたは複数の配線用ハーネスの中へ一緒にバンドルされてよい。

コントローラは、エンジンの動作特性を記録するための実装された電子的診断機能を含んでよい。例えば、動作特性には、センサ１６０および１７０からの測定値が含まれてよい。一実施形態では、動作特性は、記憶装置１５４のデータベースに格納されてよい。一実施形態では、エンジン性能の傾向を求めるために、現行の動作特性が過去の動作特性と比較されてよい。

コントローラは、車両システム１００の構成要素の潜在的な劣化および故障を識別して記録するための実装された電子的診断機能を含んでよい。例えば、潜在的に劣化した構成要素が識別されると、記憶装置１５４に診断コードが格納されてよい。一実施形態では、コントローラによって識別され得る各タイプの劣化に対して一意な診断コードが対応してよい。例えば、第１の診断コードがエンジンのシリンダ１に関する問題を示してよく、第２の診断コードがエンジンのシリンダ２に関する問題を示してよい、といった具合である。

コントローラは、機関車を運転する乗員および整備員にユーザインターフェースをもたらす診断インターフェース表示器などの表示器１８０にさらに接続されてよい。コントローラは、ユーザ入力制御部１８２を介した運転者の入力に応答して、種々のエンジンアクチュエータ１６２を調節する指令を送ることにより、対応してエンジンを制御してよい。ユーザ入力制御部１８２の限定的でない実例には、スロットル制御部、制動制御部、キーボード、および電力スイッチが含まれ得る。さらに、劣化した構成要素に対応する診断コードなどのエンジンの動作特性が、表示器１８０を介して運転者および／または整備員に伝えられてよい。

車両システムは、コントローラに接続された通信システム１９０を含んでよい。一実施形態では、通信システム１９０は、音声およびデータメッセージを送受信するための無線機およびアンテナを含んでよい。例えば、車両システムと鉄道の管理センタ、別の機関車、人工衛星、および／または転轍機などの線路脇の装置の間でデータ通信が行なわれてもよい。例えば、コントローラは、ＧＰＳ受信器からの信号を用いて車両システムの地理座標を推定してもよい。別の実例として、コントローラは、通信システム１９０から伝送されるメッセージによって、管理センタにエンジンの動作特性を伝送してもよい。一実施形態では、エンジンの劣化した構成要素が検出され、車両システムが保守整備のためにスケジュール設定され得るとき、通信システム１９０によって指令センタにメッセージが伝送されてよい。

図２は、種々の補助装置１４０（１４１、１４２、１４３、１４４）および走行用電動機１３０に動作可能に接続された図１のエンジン１１０および発電機１２０の例示的実施形態の図である。種々の機械的補助装置１４４が、回転するエンジンシャフト１１１に動作可能に結合され、かつ駆動されてよい。他の補助装置１４０は、発電機１２０によって、電力調整器２３０に対する直流リンクの電圧を生成する整流器２１０を介して駆動される。このような補助装置の実例には、送風機１４１、圧縮機１４２、および冷却ファン１４３が含まれる。走行用電動機１３０は、発電機１２０によって、インバータ２２０に対する直流リンクの電圧を生成する整流器２１０を介して駆動される。このような補助装置１４０、走行用電動機１３０、およびそれらの実装形態は当技術分野で周知である。特定の実施形態によれば、発電機１２０は、実際には、例えば走行用電動機１３０を駆動するための主発電機および補助装置１４０の一部分を駆動するための補助発電機などの１つまたは複数の発電機でよい。さらに、補助装置の実例には、ターボ過給機、ポンプおよびエンジン冷却システムが含まれる。

速度センサ１６０は、動作中にエンジンの回転シャフト１１１の速度を測定する。直流リンクのセンサ１７１は発電機センサであり、種々の実施形態によって、直流リンクの電圧、直流リンクの電流、または両方を測定することができる。界磁センサ１７２は発電機センサであり、種々の実施形態によって、発電機の界磁電流、発電機の界磁電圧または両方を測定することができる。特定の実施形態によれば、発電機の電動子の出力電圧および出力電流を測定するために、それぞれ発電機センサ１７３および１７４が設けられる。特定用途向けのパラメータに基づいて適切な市販のセンサが選択されてよい。

種々の実施形態によれば、コントローラ１５０は、例えば通信システム１９０を介して、エンジンの劣化した状態を伝えるように動作可能である。さらに、種々の実施形態によれば、コントローラは、診断された状態に基づいてエンジンの動作パラメータを調節するように構成された命令を含む。

図３は、エンジン回転速度および発電機の電気的パラメータからエンジンの燃焼トルクプロファイルを推定する方法３００の例示的実施形態の図である。ステップ３１０で、コントローラ１５０によって（例えば速度センサ１６０を介して）エンジン回転速度信号がサンプリングされる。ステップ３２０で、エンジン回転速度からエンジンの慣性トルクプロファイルが推定される。ステップ３３０で、コントローラ１５０によって（例えば発電機センサ１７０を介して）、発電機の電流および／または電圧がサンプリングされる。ステップ３４０で、サンプリングされた電流および／または電圧が、交流発電機モデルによって渡される。ステップ３５０で、交流発電機モデルの出力から発電機の電磁トルクプロファイルが推定される。ステップ３６０で、エンジンの燃焼トルクプロファイルを生成するために、電磁トルクプロファイルによって慣性トルクプロファイルが修正される。ステップ３７０で、燃焼トルクプロファイルが、基準線トルクプロファイルまたは予期されたエンジンのトルクプロファイルと比較される。

図４は、発電機の電気的パラメータを電磁トルクプロファイルに変換するやり方の例示的実施形態の図である。コントローラ１５０の中に実現され、整流器２１０の逆モデル４２０および発電機１２０のモデル４３０を含んでいる交流発電機モデル４１０に、直流リンクの電圧および発電機の界磁電流（例えば発電機センサ１７１および１７２によって測定されたもの）が供給される。種々の実施形態によれば、整流器は、ダイオード整流器、位相制御整流器、またはパルス幅変調（ＰＷＭ）整流器であり得る。代替実施形態によれば、整流器を有するのでなく、交流負荷が直接接続されるか、または制御されたパワーエレクトロニクス装置を介して間接的に接続されて、逆モデル化されてよい。

逆モデル４２０は、直流リンクの電圧から発電機の出力電圧を推定するものである。同様に、発電機モデル４３０は、界磁電流から発電機の出力電流を推定する。発電機の出力電流および出力電圧が、コントローラ１５０の中に実現されている電磁トルクの推定処理４４０に供給される。電磁トルクの推定処理４４０は、発電機の出力電圧および出力電流をエンジン回転速度の指標とともに用いて、電磁トルクプロファイルを推定する。エンジン回転速度の指標は、トルク推定モデル４４０に対して対象の高調波の周波数がどこにあるか伝えるのに用いられる。速度センサ１６０からのエンジン回転速度が入力として用いられてよく、またはエンジン回転速度の指標として、整流器２１０からの周波数成分（例えば６次高調波）（例えば直流リンクの電圧信号の周波数成分）を用いてもよい。

結果として、直流リンクの電圧および発電機の界磁電流から、発電機と関連した電磁トルクプロファイルを導出することができる。あるいは、直流リンクの電流から発電機の出力電流を推定し、発電機の界磁電圧から発電機の出力電圧を推定するために、直流リンクの電流および発電機の界磁電圧が対応するモデルとともに用いられ得る。（このようなセンサが発電機上に存在するために）発電機の出力電圧および出力電流がコントローラ１５０にとって既に利用可能である場合には、次いで、逆モデル４２０および発電機モデル４３０が無視されてよい。さらに、あまり正確でないトルクプロファイルの推定が許容できる場合には、パラメータ（直流リンクの電圧、直流リンクの電流、発電機の界磁電流、発電機の界磁電圧、発電機の電流出力、発電機の電圧出力）のうちの１つだけ（両方ではなく）を用いてトルクプロファイルを推定することができる。

一実施形態では、コントローラは慣性トルクの推定処理を実施する。図５は、コントローラ１５０の慣性トルクの推定処理５１０を用いてエンジン回転速度から慣性トルクプロファイルを生成するやり方の例示的実施形態の図である。（例えば速度センサ１６０からの）測定されたエンジン回転速度を、ある期間にわたってサンプリングして、測定された回転速度から、求められた特性周波数における加速度成分を導出し（時間に対する速度の導関数を考える）、加速度成分を組み合わせて慣性トルクプロファイルを求めることにより、エンジン回転速度からエンジンの慣性トルクプロファイルが推定され得る。

図６は、エンジンの燃焼トルクプロファイルを推定するやり方の例示的実施形態の図である。コントローラ１５０は、エンジン部分における正確な燃焼トルクプロファイルをもたらすために、所与の速度変動を伴うエンジンの慣性トルクプロファイルを用いて、発電機の電磁トルクプロファイルを補償するエンジントルクの推定処理６１０を実施する。図７に示されるように、コントローラ１５０は、トルクプロファイルの比較処理７１０を実施して、推定されたエンジンの燃焼トルクプロファイルを、予期されたトルクプロファイルまたは基準線トルクプロファイルと比較する。一実施形態では、比較を遂行するためにテンプレート照合またはシグナチャ照合のアルゴリズムが採用される。基準線トルクプロファイルからの特定のずれは、エンジン構成要素の特定の劣化に（例えばエンジンのどのパワーアセンブリ構成要素が故障しているかということに）対応し得る。一実施形態によれば、推定された燃焼トルクプロファイルはエンジンのシリンダ内圧プロファイルを示す。したがって、方法３００により、既存のエンジンおよび発電機センサを用いてエンジンのシリンダ内圧プロファイルを正確に予測することができる。

一実施形態によれば、レシプロエンジンは、燃焼トルクの推定処理３００を遂行する前に、先ず特定の動作条件、動作状態、または動作モードに駆動される。別の実施形態によれば、エンジンが通常動作中に求められた動作条件、動作状態、または動作モードに達してから、燃焼トルクの推定処理３００が遂行され、このとき、コントローラは、トルクの推定処理およびそれに続く推定されたトルクプロファイルと基準線トルクプロファイルとの比較を遂行するように起動される。

種々の実施形態によれば、コントローラ１５０は、例えば通信システム１９０を介して、エンジン状態の劣化を伝えるように動作可能である。さらに、種々の実施形態によれば、コントローラは、診断された状態に基づいてエンジンの動作パラメータを調節するように構成された命令を含む。

検査キットが提供され得て、これに含まれるコントローラは、エンジンの推定された燃焼トルクプロファイルと予期されたエンジンのトルクプロファイルとの比較に基づいて、発電機に運転可能に結合されたレシプロエンジンの状態を判断するように動作可能である。この検査キットは、発電機に関連した少なくとも１つの電磁パラメータ（例えば直流リンクの電圧および／または発電機の界磁電流）を感知するための少なくとも１つのセンサも含むことができる。コントローラは、センサと通信して、ある期間にわたって電磁パラメータをサンプリングするように動作可能である。コントローラは、電磁パラメータから電磁トルクプロファイルを推定するようにも動作可能である。この検査キットは、レシプロエンジンの回転シャフト速度を感知するためのセンサをさらに含むことができる。コントローラは、センサと通信して、ある期間にわたってこのシャフト速度をサンプリングするように動作可能である。コントローラは、シャフト速度から慣性トルクプロファイルを推定するようにさらに動作可能である。コントローラは、電磁トルクプロファイルおよび慣性トルクプロファイルからエンジンの推定燃焼トルクプロファイルを求めるようにも動作可能である。

次に、本明細書で説明されたシステムおよび方法の用途のさらなる実例が提供される。この実例は、発電機パラメータおよびエンジンの回転速度から推定されたエンジンの推定燃焼トルクプロファイルに基づいて、様々なタイプのエンジン劣化を診断して識別するための種々の手法を説明する。

エンジンは、所定の順番で点火する複数のシリンダを有してよく、各シリンダは４サイクルまたは２サイクルの間に１回点火する。例えば、４つのシリンダの４サイクルエンジンは１−３−４−２の点火順序を有してよく、各シリンダはエンジンの２回転につき１回点火する。したがって、所与のシリンダの点火周波数はエンジンの回転周波数の２分の１であり、いずれかのシリンダが点火する周波数はエンジンの回転周波数の２倍である。エンジンの回転周波数は、エンジンの１次成分と説明されてよい。このような１次周波数成分は、測定された発電機パラメータの周波数成分に現われることがある。４サイクルエンジンの所与のシリンダの点火する周波数はエンジンの０．５次成分と説明されてよく、エンジンの０．５次成分はエンジンの回転周波数の１／２である。このような０．５次周波数成分も、測定された発電機パラメータの周波数成分に現われることがある。

４サイクルエンジンの別の実例として、１２個のシリンダのエンジンは１−７−５−１１−３−９−６−１２−２−８−４−１０の点火順序を有してよく、各シリンダはエンジンの２回転につき１回点火する。したがって、所与のシリンダの点火周波数はエンジン回転周波数の２分の１であり、いずれかのシリンダが点火する周波数はエンジン回転周波数の６倍である。２サイクルエンジンの一例として、１２個のシリンダのエンジンは１−７−５−１１−３−９−６−１２−２−８−４−１０の点火順序を有してよく、各シリンダはエンジンの１回転につき１回点火する。したがって、所与のシリンダの点火周波数はエンジン回転周波数に等しく、いずれかのシリンダが点火する周波数はエンジン回転周波数の１２倍である。これらの周波数成分も、測定された発電機パラメータの周波数成分に現われることがある。

例えば、エンジンは１０５０ＲＰＭで動作する４サイクルエンジンでよい。したがって、エンジンの１次成分は１７．５Ｈｚであり、エンジンの０．５次成分は８．７５Ｈｚである。直流リンクの電圧は、エンジンシャフト１１１が動作中に回転するのにつれて周期的に変化する可能性がある。例えば、直流リンクの電圧の周波数成分は、エンジンの１次周波数の周波数成分を含み得る。換言すれば、周波数成分の最大振幅が１次の周波数成分に現われる可能性がある。直流リンクの電圧は、２次の周波数（エンジン周波数の２倍）、３次の周波数（エンジン周波数の３倍）など、１次周波数の他の高調波の周波数成分も含み得る。同様に、直流リンクの電圧は、０．５次の周波数（エンジン周波数の半分）など、１次周波数未満の周波数成分を含んでよい。

一実施形態では、エンジンの推定燃焼トルクプロファイルとエンジンの予期されたトルクプロファイルまたは基準線トルクプロファイルとの比較に基づいて、４サイクルエンジンの劣化したシリンダが検出されてよい。劣化したシリンダが１つしか検出されず、エンジンの他のシリンダがより健全な（すなわちあまり劣化していない）場合には、エンジンの複数のシリンダが劣化しているときより優れた照合トルクプロファイルを有する可能性がある。例えば、推定燃焼トルクプロファイルの一部分を基準線トルクプロファイルの同一部分と比較することにより、１つの劣化したシリンダが識別され得る。しかし、複数のシリンダが劣化していると、燃焼トルクプロファイルの複数の部分でずれが生じる可能性がある。さらに、複数の劣化したシリンダの点火順序における位置により、推定燃焼トルクプロファイルの複数の部分が変化して基準線トルクプロファイルから逸脱するする可能性がある。例えば、２つの劣化したシリンダが１８０°違相で存在すると、２つの劣化したシリンダの点火順序が連続している場合より、トルクプロファイルの別々の部分に影響が及ぶ可能性があり、したがって、本明細書で開示される方法は、推定トルクプロファイルの種々の変化に基づいて１つまたは複数の劣化したシリンダを識別することができる。例えば、健全なエンジンの基準線トルクプロファイルに一致しない異常、または別の劣化したエンジン構成要素が、コントローラによって識別され、かつ報告されてよい。劣化したエンジン構成要素の他の実例には、劣化したクランクケースの排気システム、劣化したターボ過給機、および劣化したクランクケースが含まれる。

一実施形態では、時間領域の発電機データ（例えば直流リンクの電圧および界磁電流）は、エンジンの１次周波数よりわずかに高い遮断周波数を有する低域通過フィルタによってフィルタリングされてよい。例えば、遮断周波数は、１次周波数より１０〜２０パーセント高くてよい。したがって、一実施形態では、遮断周波数はエンジン回転速度によって決定されてよい。発電機データは、ナイキスト周波数以上の周波数で適時にサンプリングされてよい。一実施形態では、この時間領域信号は、エンジンの１次周波数の２倍より高い周波数でサンプリングされてよい。一実施形態では、この時間領域信号は、エンジンのレッドライン周波数の２倍より高い周波数でサンプリングされてよい。したがって、低域通過フィルタリングおよびナイキスト周波数以上の周波数でサンプリングすることにより、発電機データの周波数成分にはエイリアスが含まれる可能性がない。エンジンの速度データにも同じことが当てはまる。

図８は、エンジン診断に用いられ得る時間領域のトルクプロファイルの周波数成分を生成するやり方の例示的実施形態の図である。エンジンの推定燃焼トルクプロファイルの周波数領域成分を抽出するために、エンジンの推定燃焼トルクプロファイル（時間領域データ）を、フーリエ変換処理８１０（例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理）または帯域通過フィルタリング処理８２０に入力してよい。さらに、発電機信号（例えば直流リンクの電圧）およびエンジン回転速度信号を、周波数成分を抽出するために類似のやり方で処理してよい。

本明細書で論じられるように、サンプリングされた発電機データ（例えば直流リンクの電圧、トルクなど）は、周波数領域の周波数成分を生成するように変換されてよい。一実施形態では、周波数領域の周波数成分を生成するために高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いてよい。別の実施形態では、周波数領域の成分を生成するために帯域通過フィルタリング処理を用いてもよい。周波数分析処理により、サンプリングされた時間領域パラメータが周波数領域の周波数成分に変換される。種々の周波数成分には、直流（ゼロ次）、基本（１次）周波数成分、および調波成分（２次成分、０．５次成分、３次成分など）が含まれ得る。一実施形態によれば、フーリエ変換処理および帯域フィルタ処理は、プロセッサ１５２によって実行されるコンピュータ実行可能命令を含む。

一実施形態では、発電機データの周波数成分を比較するために、エンジンの状態に関するシグナチャに対して相関アルゴリズムを適用してよい。例えば、健全なエンジンに関するシグナチャは、１次閾値より小さい振幅の１次周波数成分と、０．５次閾値より小さい振幅の０．５次の周波数成分とを含んでよい。１次閾値は、エンジン回転速度、エンジン負荷、クランクケース温度およびエンジンのヒストリカルデータに対応し得る。さらに、閾値Ｔは、例えば出力、速度、周囲の状態、修理履歴などのエンジンの動作条件に依拠する可能性がある。

例えば、エンジンおよび発電機のヒストリカルデータは、エンジンの以前の動作からの周波数成分のサンプルを含むデータベースに格納されてよい。したがって、周波数成分の傾向が検出され得て、この傾向はエンジンの健全性を判断するのに用いられてよい。例えば、所与のエンジン回転速度および負荷に対するエンジンの０．５次成分の振幅の増加は、シリンダが劣化していることを示す可能性がある。別の実例として、所与のエンジン回転速度および負荷に対してエンジンの０．５次成分の振幅が増加することなくクランクケースの平均圧力が増加することは、ターボ過給機またはクランクケースの排気システムが劣化していることを示す可能性がある。潜在故障には、シリンダの劣化、ターボ過給機の劣化、またはクランクケースの排気システムの劣化が含まれ得る。

一実施形態では、燃焼トルクプロファイルの周波数成分はデータベースに格納されてよい。別の実施形態では、基準線トルクプロファイルのデータはデータベースに格納されてよい。例えば、データベースはコントローラ１５０の記憶装置１５４に格納されてよい。別の実例として、データベースは鉄道車両１０６から遠方のサイトに格納されてよい。例えば、ヒストリカルデータはメッセージの中に要約され、通信システム１９０を用いて伝送されてよい。このようにして、指令センタは、エンジンの健全性をリアルタイムで監視し得る。例えば、指令センタは、通信システム１９０で伝送された燃焼トルクプロファイルデータを用いて、エンジンの状態を診断するステップを遂行してよい。例えば、指令センタは、鉄道車両１０６からエンジンの推定燃焼トルクプロファイルのデータを受け取り、このデータを周波数領域へ変換して、エンジンの潜在的な劣化を診断する。あるいは、指令センタは、鉄道車両１０６からエンジンの推定燃焼トルクプロファイルのデータを受け取り、このデータに対してテンプレート照合アルゴリズムを適用し（基準線トルクプロファイルと比較し）、エンジンの潜在的な劣化を診断してもよい。さらに、指令センタは、資本投資を最適化するやり方で、保守整備をスケジュール設定し、健全な機関車および整備員を配備してよい。トルクプロファイルのヒストリカルデータは、エンジン点検、エンジン調節、およびエンジン構成要素の交換の前後にエンジンの健全性を評価するのにさらに用いられてもよい。

一実施形態では、潜在故障は、機関車を運転している乗務員に表示器１８０を通じて報告されてよい。一旦通知されると、オペレータは、エンジンがさらに劣化する可能性を低減するように鉄道車両１０６の操作を調節してもよい。一実施形態では、潜在故障を示すメッセージが、通信システム１９０で指令センタに伝送されてよい。さらに、潜在故障の重度が報告されてよい。例えば、推定トルクプロファイルと基準線トルクプロファイルとの比較に基づく故障診断により、一般のエンジン情報のみ（例えば速度情報のみ）を用いて故障診断する場合より、早期の故障検出が可能になり得る。したがって、劣化の初期段階で潜在故障が診断された場合には、エンジンが動作し続けてもよい。それと対照的に、潜在故障が重度であると診断された場合には、エンジンを停止するか、または迅速な保守整備をスケジュール設定するのが望ましいであろう。一実施形態では、潜在故障の重度は、閾値とエンジンの推定燃焼トルクプロファイルの周波数成分のうち１つまたは複数の成分の振幅の間の差によって判断されてよい。

推定燃焼トルクプロファイルのデータを分析することにより、動作中にエンジンを監視して診断することが可能になり得る。さらに、劣化した構成要素を有するエンジンの動作は、エンジン構成要素のさらなる劣化を潜在的に低減させ、また、さらなるエンジン故障および使用中の障害の可能性を潜在的に低下させるように調節されてよい。例えば、０．５次成分は０．５次の閾値と比較されてよい。一実施形態では、０．５次成分の振幅が０．５次の閾値より大きい場合には、潜在故障はシリンダの劣化である可能性がある。しかし、０．５次成分の振幅が０．５次の閾値より大きくない場合には、潜在故障は、ターボ過給機の劣化またはクランクケースの排気システムの劣化である可能性がある。

一実施形態では、機関車を運転する乗員に、表示器１８０を介して潜在故障が報告されてよく、運転者は、さらになる劣化の可能性を低減させるように、鉄道車両１０６の動作を調節してよい。一実施形態では、潜在故障の診断メッセージが、通信システム１９０を用いて指令センタに伝送されてよい。

一実施形態では、劣化したシリンダを識別するためにエンジンの動作パラメータが調節されてよい。例えば、エンジンの１つまたは複数のシリンダへの燃料噴射を選択的に無効にすることに基づいて、劣化したシリンダが識別されてよい。一実施形態では、発電機データおよび関連する周波数成分の１つまたは複数を監視しながら、複数のシリンダの各シリンダに対して燃料噴射を順番に無効にしてよい。例えば、他のシリンダを正常に動作させながら、１つのシリンダに対する燃料噴射を無効にしてよい。各シリンダを順番に無効にすることによって、劣化したシリンダが識別され得る。別の実例として、他のシリンダを正常に動作させながら、一群のシリンダに対する燃料噴射を無効にしてよい。別々のグループを順番に通って循環することにより、劣化したシリンダが消去の処理によって識別され得る。

一例では、４サイクルエンジンのそれぞれの無効にされたシリンダに対して、トルクプロファイルデータの０．５次の周波数成分が監視されてよい。シリンダが無効にされている間に０．５次の周波数成分が０．５次の閾値を下回る場合には、この無効のシリンダが劣化したシリンダであり得る。シリンダが無効にされている間にも０．５次の周波数成分が０．５次の閾値を上回っている場合には、この無効のシリンダは健全なシリンダであり得る。換言すれば、劣化したシリンダは、他のシリンダより、０．５次の周波数成分をより大きくすることに貢献するシリンダであり得る。一実施形態では、エンジンがアイドル状態または軽い負荷で動作しているとき、選択的に無効にする診断が遂行されてよい。

一実施形態では、劣化したシリンダは、エンジンの１つまたは複数のシリンダに対する燃料噴射を選択的に変化させることに基づいて識別されてよい。例えば、推定トルクプロファイルの０．５次の周波数成分を監視しながら、各シリンダへの燃料を選択的に増減させてよい。さらに、各シリンダの例えば周波数成分といったシグナチャが、そのエンジンのヒストリカルデータまたは健全なエンジンと比較されてよい。例えば、基準線シグナチャを生成するために、健全なエンジンに対して診断テストを遂行してよい。次いで、エンジンを診断しながら、基準線シグナチャを周波数成分と比較してよい。一実施形態では、劣化したシリンダは、エンジンの燃料噴射のタイミングを変化させることによって識別されてよい。例えば、劣化したシリンダを診断するのに、進角調整を用いてもよい。例えば、エンジンの燃料噴射タイミングを、可能性として０．５次の周波数成分を増加させるように遅らせてよい。

劣化したシリンダを、エンジンがさらなる損傷を受けるように故障させるより、エンジンを切るほうが望ましいであろう。一実施形態では、潜在故障が重度であるためエンジンを継続して動作させるのは望ましくないことを示す閾値が決定されてよい。例えば、０．５次の周波数成分の振幅が閾値を超過する場合には、潜在故障が重度であると判断されてよい。潜在故障の重度が閾値を超過した場合には、エンジンを停止させてよい。

例えば、点検をスケジュール設定する要求が、通信システム１９０を介して送られるメッセージなどによって送られてよい。さらに、潜在故障の状態および潜在故障の重度を送ることによって、鉄道車両１０６のダウンタイムが低減され得る。例えば、潜在故障の重度が低ければ、鉄道車両１０６に対する点検が延期されてよい。診断された状態に基づいてエンジンの動作パラメータを調節することなどによりエンジンの定格出力を下げることによって、ダウンタイムがさらに短縮され得る。エンジンの定格出力を下げることが可能であるかどうか判断されてよい。例えば、エンジンの定格出力を下げると、推定燃焼トルクプロファイルのデータの周波数成分のうち１つまたは複数の成分の振幅が低減する可能性がある。

例えば、エンジンの動作パラメータは、劣化した構成要素のさらなる劣化を低減させるためなどに調節されてよい。一実施形態では、エンジンの回転速度または出力が管理されてよい。一実施形態では、他のシリンダを動作させながら、潜在的に劣化したシリンダに対する燃料噴射を低減するかまたは無効にしてもよい。したがって、エンジンは動作し続け、劣化したシリンダのさらなる劣化は低減され得る。このようにして、エンジンは、エンジン構成要素のさらなる劣化を潜在的に低減させ、また破局的なエンジン故障および鉄道故障の可能性を潜在的に低下させるように調節されてよい。

一実施形態では、検査キットは、エンジンの燃焼トルクプロファイルを推定し、推定燃焼トルクプロファイルに基づいてエンジンの状態を診断するのに用いられてよい。例えば、検査キットが含むコントローラは、１つまたは複数の発電機センサと通信して、関連する発電機データをサンプリングするように動作可能である。コントローラは、１つまたは複数の発電機センサからの信号を発電機の電磁トルクプロファイルに変換するようにさらに動作可能であり得る。コントローラは、速度センサが測定したエンジン回転速度からエンジンの慣性トルクプロファイルを推定し、電磁トルクプロファイルに基づいて慣性トルクプロファイルを修正してエンジンの燃焼トルクプロファイルを推定するようにさらに動作可能であり得る。コントローラは、推定燃焼トルクプロファイルに基づいてエンジンの状態を診断するようにさらに動作可能であり得る。検査キットは、発電機パラメータ（例えば発電機の出力電圧）および／またはエンジンパラメータ（例えばエンジン回転速度）を感知するための１つまたは複数のセンサをさらに含んでよい。

明細書および特許請求の範囲では複数の用語が参照されることになり、以下の意味を有する。単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「この（ｔｈｅ）」は、文脈に別様の明確な指示がなければ、複数の対象を含む。明細書および特許請求の範囲の全体にわたって本明細書で用いられる近似の言語は、関連する基本的機能の変化をもたらすことなく変化することを許され得る何らかの量的表現を修飾するのに適用されてよい。したがって、「約」などの用語によって修飾された値は、指定された正確な値に限定されない。いくつかの例では、近似の言語は、その値を測定するための測定器の精度に対応することがある。同様に、「無（ｆｒｅｅ）」は、用語と組み合わせて用いられてよく、修飾された用語がないと引き続き見なされる一方で、ごくわずかな数（または極微量）を含んでもよい。そのうえ、「第１の」、「第２の」などの用語のいかなる使用も、特に別記しない限り、いかなる順序または重要性も示すものではなく、むしろ「第１の」、「第２の」などの用語は、ある要素を別のものから区別するのに用いられる。

本明細書で用いられる用語「よい（ｍａｙ）」、「でよい（ｍａｙ ｂｅ）」は、１組の環境の範囲内での出現の可能性、特定の特性、特徴もしくは機能を有すること、および／または修飾された動詞に関連する能力、性能、または可能性のうち１つまたは複数を表現することによって別の動詞を修飾することを示す。したがって、「よい」、「でよい」の使用は、示された能力、機能または利用に関して、修飾された用語が明らかに適している、有能である、または適切であるが、いくつかの環境では、修飾された用語が、適していない、有能でない、または適切ではない可能性を考慮に入れることも示す。例えば、いくつかの環境では、ある事象または能力を予期することができるが、他の環境ではその事象または能力が生じ得ず、この区別は、用語「よい」、「でよい」によって捕捉される。「発電機」、「交流発電機」という用語は、本明細書では互換性があるように用いられる（しかし、用途に応じて一方または他方がより適切であり得ることが理解される）。「周波数成分」、「調波成分」という用語は、本明細書では互換性があるように用いられており、基本周波数成分（および／または位相）ならびに基本成分より上と下の関連する調波周波数（および／または位相）成分を指すことができる。コントローラまたはプロセッサに関して本明細書で用いられる用語の「命令」は、コンピュータ実行可能命令を指してもよい。

本明細書で説明された実施形態は、製品、システム、および特許請求の範囲で列挙された本発明の要素に相当する要素を有する方法の実例である。この書かれた説明により、当業者なら、特許請求の範囲で列挙された本発明の要素に対して同様に相当する代替要素を有する実施形態を製作し、かつ使用することができるはずである。したがって、本発明の範囲には、特許請求の範囲の文字どおりの言語から異なることのない製品、システムおよび方法が含まれ、特許請求の範囲の文字どおりの言語とごくわずかな差異しかない他の製品、システムおよび方法がさらに含まれる。本発明の、特定の特徴および実施形態のみが本明細書に示され説明されてきたが、当業者なら多くの修正形態および変更形態を思いつくことができるであろう。添付の特許請求の範囲は、このような修正形態および変更形態をすべて対象として含むものである。

１００ 車両システム
１０２ レール
１０６ 鉄道車両
１０８ ホイール
１１０ エンジン
１１１ エンジンシャフト
１２０ 発電機（交流発電機）
１３０ 走行用電動機
１４０ 補助システム
１４１ 送風機
１４２ 圧縮機
１４３ 冷却ファン
１４４ 機械的に駆動される補助装置
１５０ コントローラ
１５２ プロセッサ
１５４ 記憶装置
１６０ 速度センサ
１６２ エンジンアクチュエータ
１７０ センサ
１７１ 直流リンクのセンサ
１７２ 界磁センサ
１７３ 発電機センサ
１７４ 発電機センサ
１８０ 表示器
１８２ ユーザ入力制御部
１９０ 通信システム
２１０ 整流器
２２０ インバータ
２３０ 電力調整器
３００ エンジンの燃焼トルクプロファイルを推定する方法
３１０ エンジン回転速度信号をサンプリングするステップ
３２０ エンジンの慣性トルクプロファイルを推定するステップ
３３０ 発電機の電流および／または電圧をサンプリングするステップ
３４０ 電流および／または電圧が、交流発電機モデルによって渡されるステップ
３５０ 発電機の電磁トルクプロファイルを推定するステップ
３６０ エンジンの燃焼トルクプロファイルを生成するステップ
３７０ 基準線トルクと比較するステップ
４１０ 交流発電機のモデル
４２０ ダイオード整流器の逆モデル
４３０ 発電機のモデル
４４０ 電磁トルクの推定処理
５１０ 慣性トルクの推定処理
６１０ エンジントルクの推定処理
７１０ トルクを比較するステップ
８１０ ＦＦＴ処理
８２０ 帯域通過フィルタ処理

Claims (6)

1. エンジン（１１０）と、
   前記エンジン（１１０）に対して動作可能に接続された発電機（１２０）と、
   動作中に前記発電機（１２０）と関連した少なくとも１つの電気的パラメータを測定するための少なくとも１つのセンサ（１７０）と、
   前記エンジン（１１０）の回転シャフト（１１１）の速度を測定するためのセンサ（１６０）と、
   命令を含むコントローラ（１５０）であって、前記命令が、
   前記少なくとも１つの電気的パラメータをサンプリングして電磁トルクプロファイルに変換し、
   前記回転シャフト（１１１）の速度をサンプリングして慣性トルクプロファイルに変換して、
   前記電磁トルクプロファイルおよび前記慣性トルクプロファイルから前記エンジン（１１０）の燃焼トルクプロファイルを推定する
   ように構成されているコントローラ（１５０）と、
   を備える、車両システム（１００）。
2. 前記エンジン（１１０）の前記推定燃焼トルクプロファイルを、予期されたエンジン（１１０）のトルクプロファイルと比較することにより、前記エンジン（１１０）の状態を診断することをさらに含む、請求項１に記載の車両システム（１００）。
3. 前記コントローラ（１５０）が、エンジン（１１０）の劣化した状態を報告するように動作可能である請求項２に記載の車両システム（１００）。
4. 前記コントローラ（１５０）が、前記診断された状態に基づいてエンジン（１１０）の動作パラメータを調節するように構成された命令をさらに含む請求項２または３に記載の車両システム（１００）。
5. 前記エンジン（１１０）の前記推定燃焼トルクプロファイルを予期されたエンジン（１１０）のトルクプロファイルと比較することにより、前記エンジン（１１０）のシリンダ内圧プロファイルを診断するステップをさらに含む請求項２から４のいずれかに記載の車両システム（１００）。
6. エンジン（１１０）の推定燃焼トルクプロファイルと予期されたエンジンのトルクプロファイルとの比較に基づいて、発電機（１２０）に作動可能に結合されたレシプロエンジン（１１０）の状態を判定するように作動可能なコントローラ（１５０）と、
   前記発電機（１２０）に関連する少なくとも１つの電磁的パラメータを測定するための少なくとも１つのセンサ（１７０）と、
   前記レシプロエンジン（１１０）の回転シャフト（１１１）の速度を測定するためのセンサ（１６０）と、
   を備え、
   前記コントローラ（１５０）は、前記少なくとも１つのセンサ（１７０）と作動可能に通信して、ある期間にわたって前記少なくとも１つの電磁的パラメータをサンプリングし、
   前記コントローラ（１５０）は、さらに前記少なくとも１つの電磁的パラメータからの電磁トルクプロファイルを推定するように作動可能であり、
   前記コントローラ（１５０）は、前記回転シャフト（１１１）の速度を測定するためのセンサ（１６０）と通信して、前記回転シャフト（１１１）の速度をサンプリングし、
   前記コントローラ（１５０）は、さらに前記回転シャフト（１１１）の速度から慣性トルクプロファイルを推定するように作動可能であり、
   前記電磁トルクプロファイルおよび前記慣性トルクプロファイルから前記エンジン（１１０）の前記推定燃焼トルクプロファイルを推定する、
   検査キット。