CN1823219A - 内燃机的自适应燃油控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于保护内燃机的自适应燃油限制功能(52)。该自适应燃油限制功能是一种响应于诸如每单位动力产生的补偿燃油流量(62)的发动机性能参数中的趋势的学习功能。该发动机性能参数响应于诸如由于发动机磨损产生的燃油需求的逐渐变化通过低通滤波器(64)的处理以允许燃油限度信号(54)中出现变化，同时响应于诸如由于气缸故障产生的燃油需求的突然变化以阻止燃油限度信号的变化。所述低通滤波器的输入和输出之间的差异可以经处理以判定故障程度(88)，从而提供与学习功能不同的报警功能。

Description

内燃机的自适应燃油控制

技术领域

本发明涉及一种用于机车内燃机的燃油控制系统。

背景技术

燃油喷射式内燃机使用于包含铁路机车的柴油发电驱动系统在内的很多应用场合中。图1示出了本发明受让人提出的用于机车的柴油发电驱动系统的负载控制系统10。发动机在恒速下操作，该速度与机车操作者启动的动力需求(通常指节流喷口设置)有关。通过调节发动机的燃油供给量，可将该速度调节为速度命令值12。速度调节器14根据速度命令12和实际发动机速度反馈信号18产生燃油需求信号16。在正常操作过程中，燃油需求16被直接转换为燃油流量20。但是在一些条件下，必须限制燃油量20与燃油需求16的关联，以避免发动机过载并且适应发动机构件及其相应设备的故障。燃油限制功能22取决于两种不同的标准。一种标准是基于在不同位置处的当前发动机速度、温度和压力的静态限度24。该静态限度24可保护发动机及其相关联设备免于产生机械过载。第二种标准是需要满足例如烟雾或其他物质排放的瞬间限度的或者考虑涡轮增压滞后的动态限度26。最小功能28可选择静态限度(limit)24和动态限度26中较低的一个作为输入，输入到限制功能22中，以在燃油需求较高时限定燃油流量20。当限制功能22起作用时，发动机将接受比维持需求速度命令12所需燃油更少的燃油，并且除非进一步启动控制操作，否则实际速度18将下降。为了防止发动机实际速度18中的这种下降，负载控制功能30检测燃油流量20和燃油需求16之间的差值并向最小功能34提供负载减少信号32，从而与操作者需求信号36相比较。该操作者需求信号与上述节流喷口的设置以及速度命令12相关联。该最小功能34向牵引电机负载控制38提供输出，以产生负载控制信号40，从而控制用于向主机车牵引电机提供动力的交流发电机。由交流发电机施加在发动机上的减小负载可以抵消由限制功能22引起的燃油流量20的减小，所以尽管低于正常动力输出水平，但也能够使发动机实际速度18与速度命令12保持一致。

在发动机使用寿命中，产生全部马力所需的燃油流量并不保持恒定。诸如周围温度、周围压力和燃油类型/质量等短期变量都会影响所使用的燃油流量。在较长的期间，零件磨损会减小发动机效率并导致所使用的燃油流量增加。诸如更换零件等的维护也会改变所使用的燃油量。静态限度24和动态限度26必须设定得足够高以适应上述短和长期的改变。在本发明的机车发动机设计中，这些限度可以设定得高于初始燃油消耗水平的50％以计及这些变化。

典型机车发动机具有12或16个气缸。当一个气缸和/或相关燃油输送通路发生故障时，图1中现有技术的负载控制系统10就会增加燃油消耗总量，以保持余下11或15个气缸的理想发动机速度。静态限度24确保这部分增加的燃油流量不会高到引起发动机产生瞬时灾难性故障。但是，传递到余下工作气缸的增加燃油流量会产生比正常更高的压力，由此导致受影响部件的较高的总故障率。废气排放也可能被影响。如果这些故障没有被操作者发现并且发动机要在这种降级模式下持续工作一段时间，那么这种故障就很可能发生。

发明内容

附图说明

本发明可以参照下列附图进行理解，其中类似的零件由附图间相一致的附图标记表示。

图1是机车的现有技术负载控制系统的方框图。

图2是具有自适应燃油限制的一项实施例的负载控制系统的方框图。

图3是图2的自适应燃油限制功能的一项实施例的方框图。

图4是利用图3中的自适应燃油限制功能的图2中负载控制系统的燃油流量变量相对于时间的曲线图。

图5是图2中自适应燃油限制功能的另一实施例的方框图。

图6是利用图5中的自适应燃油限制功能的图2中负载控制系统的燃油流量变量相对于时间的曲线图。

图7是利用自适应燃油限制功能的负载控制系统的备选实施例的方框图。

具体实施方式

图2是可用于机车或其他电动驱动系统中的改进负载控制系统50的一项实施例的方框图。在该系统50中，速度调节功能14和燃油限制控制功能24、26、28均和图1中所述的现有系统相同。此外，图2中的负载控制系统50包括自适应燃油限制功能52，该功能将在名义稳定状态操作下、出现导致燃油需求突然增加的故障的情况下减小发动机上的负载，例如，发动机气缸或其相关联燃油输送系统的故障。这种减小的发动机负载将间接导致燃油流量20下降。自适应燃油限制52用于限制可能低于由静态限度24和动态限度26所施加的限度的燃油流量20，由此进一步保护发动机。自适应燃油限制功能52响应于发动机的操作历史，从而响应于表示发动机性能相对于时间的参数改变最大许用燃油流量，这将在下文进行更完整地描述。自适应燃油限制功能52产生自适应燃油限度信号54，该信号通过由最小功能23与最小功能28的输出相比较，从而向负载控制30提供输入。当燃油需求16大于自适应燃油限度信号54时，负载控制30将相应地减小发动机上的负载，以获得稳态状态条件。

图3示出了用于自适应燃油限制功能52的方框图的一项实施例。自适应燃油限制功能52利用由于零件的长期磨损会导致性能下降这一事实，而零件故障通常会突然产生。自适应燃油限制功能52根据发动机正常时获得的信息利用一种算法来调节自适应燃油限度54，该功能忽略了在零件故障瞬态时产生的信息。由速度调节器14(图1)获取的燃油需求信号16作为输入进行接收。燃油需求信号16可以通过补偿功能56对诸如燃油质量的变量或者诸如周围湿度、温度、压力等的环境条件进行补偿，以获得补偿燃油需求58。一种已知的补偿周围温度和压力的方法就是将燃油需求16乘以1/(((0.0005386*T)+0.96768)*(14.135/P)^0.093)，其中T是以F为单位的温度，P是以磅/每平方英寸为单位的绝对压力。补偿的燃油需求58随后在计算器61中被实际产生的动力60(例如总功率)所除，从而获得燃油使用量/单位性能参数，例如每功率的补偿燃油消耗62。可以理解的是，也可以在其他实施例中使用其他的这种参数，例如发动机产生的每功率的燃油流率，每发动机冲程的燃油流率，每发动机速度单位的燃油流率；或由发动机产生的每单位扭矩的燃油流率。随着发动机零件的磨损，这些性能参数会缓慢改变。响应于相对于时间的发动机性能并且不是燃油使用量的直接测量值的其他参数也可以应用于自适应燃油限制功能中，例如基于发动机排放、温度、压力、湿度或除燃油以外的流体流率等参数。

每功率的补偿燃油消耗的信号62通过诸如低通滤波器64的平均功能进行滤波，从而过滤掉由于零件磨损的缓慢变化，并且阻挡由于零件故障的更加迅速的变化。该低通滤波器的输出72是经过滤的每单位动力的燃油消耗的信号。在一项实施例中，滤波器64可以通过启动逻辑66启动，例如仅在发动机接近全速和全功率时并且不受燃油限度24、26的任何一个限制时。也可在其他发动机速度和/或功率输出水平时启动自适应燃油限制功能52。低通滤波器64将依据可以由选定逻辑70改变的时间常数68在一段时间内获得各发动机特性。例如，在发动机初始投入使用时或发动机维护之后的任何时间或发动机完全正常时，该时间常量可被设定为较低值，比如0.5小时。这就允许经由低通滤波器64的输出72的迅速变化快速获得自适应燃油限制功能52。当启动时间超过预定时间时，例如1小时，时间常量68就可被设定为较大的值，例如6小时。这些时间被设定为在发动机正常运转期间实现快速的自适应，并随后允许输出72计及诸如零件磨损的缓慢变化。可选择地，可以在时间常量68内选择线性或其他变化，或者时间常量自身可以保持恒定。

低通滤波器64的输出72可被放大诸如选定量，诸如3％的燃油限度变化量74，从而得出单位功率的许用补偿燃油76。可以有目的地将该燃油限度变化量74选择为小于当一个气缸出现故障时所预期的燃油流量的变化，从而在这种情况下向发动机提供保护。该值乘以最大发动机动力输出78以得到许用补偿燃油80并且重新补偿周围温度和压力82，从而获得自适应燃油限度信号54。可以将该获得的燃油水平标准化为(经补偿的)标准温度和压力状态。该补偿用于消除与环境条件变化相关联的燃油流量自然变化的作用。由于当前的燃油限度被结合在未补偿的单元中，所以这种燃油水平的存储必须被调节为适合于当前温度和压力的标准。

还可以在应用限制功能22中的限度之前对燃油需求和这些限度进行补偿，随后再次补偿限制功能22的输出。这将在不结合静态限度24中的这种不确定性的情况下把环境条件的变化考虑在内，由此减小了所需的余量(margin)。这种余量的降低会在某些条件下导致较低的燃油流量20。

图4是图2中自适应燃油限制功能52的若干变量的曲线图。燃油需求16和补偿燃油需求58均为原始燃油使用量信号，随着发动机的磨损，可见它们随着时间逐渐增加。时间X时，燃油需求16出现比较突然的增加，例如可能因周围条件的变化或燃油供应的变化等。这种突然变化如果完全被补偿，那么不会在补偿燃油需求中显示出变化。但是实际上，在补偿中会出现某种错误，时间X时，其作为非常小的变化反应在补偿燃油需求58中。

许用补偿燃油80在可以对应于静态限度24的最大燃油限制值处被初始化。当自适应燃油限制功能52获知发动机的时间燃油使用量时，许用补偿燃油80以受控于时间常量68的比率减小，直到它大体对应于补偿燃油需求和燃油限度变化量74之和为止。随着发动机的磨损，在该实例中被增加的许用补偿燃油80随后响应于发动机性能的趋势而被调节。由于自适应燃油限度54可以比静态限度24设定得更接近于实际燃油消耗水平，所以通过这种方式，自适应燃油限度54比现有技术中的静态限度24更加有效。如上所述，静态限度24可以高于初始燃油消耗水平50％，而许用补偿燃油80能够非常快速地达到仅为该实际燃油消耗水平之上的大约3％，而且随着发动机的磨损，它还可以自由增加。事实上，当在时间X、Y处观察各个值时，补偿燃油需求58可以缓慢增加到超过许用补偿燃油80的各早先值。

在时间Y处，产生燃油泵故障或者其他零件故障，突然降低发动机气缸之一的动力输出。由于补偿燃油需求58中的进一步增加通过由负载控制30产生载荷40的对应减少而变得没有必要，所以补偿燃油需求58中所导致的增加被补偿燃油允许限度80限定在大约3％。在燃油需求中会产生非常短暂的尖峰，该尖峰将超过该量，直到自适应限制功能可以响应，但是这种尖峰在图4中以天或月为单位的刻度上是看不见的。当这种情况产生时，自适应学习被停止。

图5说明了自适应燃油限制功能的另一实施例，其中警报/告知功能与燃油限制功能分开设置。在该实施例中，燃油限度变化量功能74可以设定为任意值，并且可以有目的地设定为高于一个气缸产生故障时的预期变化。在N-1个气缸产生动力的情况下，该方法将允许发动机保持其额定动力输出，并且将向操作者或维修者提供警报，从而告知故障，操作者可采取合适的任何措施。例如，如果机车沿着具有陡峭坡度的轨道运行并且在全功率非常重要的情况下，操作者就可以选择在全功率下保持发动机操作。操作者还可以选择在全功率下运行发动机，直到进行维修保养的合适时间为止。可选择地，为了消除发动机零件上的过大压力，在减小的动力水平是安全并且在经济上可接受的情况下，操作者可以选择通过降低节流喷口设置来减小动力需求36。其他情况可以建议使用相对高的燃油限度变化量功能74，例如当存在补偿功能56没有计及的燃油需求中的大量噪音或变化时。在维修过程中或者更换零件时，操作者或维修者可以将许用补偿燃油重设为最大值或者新的发动机状态，或者算法可以允许从其当前设置中学习。在这种维修活动之后，还可以实施一个快速学习过程。

如图5所示，比较器84用于根据低通滤波器64的输入和输出之间的差别得出差异信号85。在一项实施例中，积分器86与该低通滤波器一起启动。积分器86可以使其输入稍微偏置，以计及评估中的任何错误或偏差，该积分器可以被定位使得只可进行一个极性的输出。该积分器在燃油限度之上的燃油需求中不进行零平均值变化(zero mean variation)，但是在平均燃油水平超过限度时在正向上移行。积分器86的输出是指示气缸故障或者其他突然退化问题的故障等级88。在原始状态下，该故障等级88可用作为指示器，或者它可以经由阈值检测器90进行滤波，以产生错误警报或者告知92。该故障等级88或错误警报92可用于根据故障数或者其他标准停止该自适应算法并且/或者它可以用于限制燃油流量。

图6是利用图5的自适应燃油限度的负载控制系统的若干变量的曲线图。在该实施例中，燃油限制功能74设定为足够高，使得在单个气缸出现故障的情况下许用补偿燃油80并不限制燃油，并且发动机被允许产生全功率。故障检测积分器86的输出指示故障等级88中的快速增加，该增加将超过阈值检测器90的预置错误检测限度94，由此在不减小发动机的输出的情况下向操作者提供警报。许用补偿燃油80将获得发动机的新的燃油消耗率，并且作为限度，用以保护发动机避免更大的燃油需求突增。

本发明的各种逻辑和控制功能可以实现为数据结构或者传播信号，并且可以存储在硬件、软件、固件或它们的结合中。实现本发明方法的指令可以存储在任何现有技术中已知的计算机可读介质上，用于使计算机系统能够运行本发明的程序，例如但不局限于静态或动态存储装置，计算机硬盘驱动，软盘驱动或可以经由应用服务提供商进行访问。图1中典型的现有技术负载控制系统可以由硬件/固件/软件升级来改进，以添加图2中所示的附加功能，从而能够在现有系统中结合本发明。

也可以考虑自适应燃油/负载控制系统的其他实施例。例如，图7示出了利用自适应燃油限制功能96的负载控制系统100的备选实施例。在该实施例中，在燃油需求突增的情况下，诸如限制功能22的控制功能将直接响应于所得的自适应燃油限度信号98来控制/限制燃油流量20。这与图2所示的实施例相反，其中限制燃油流量的控制功能间接地通过负载控制功能30实现这一点。自适应燃油限制功能96可以类似于图3中的自适应燃油限制功能52，或者可以是响应于历史发动机性能数据以产生自适应燃油限度信号的任何其他合适的学习功能。发动机性能数据可以作为响应于每单位性能的燃油使用量的参数进行测量。在图7中的实施例中，自适应燃油限制功能96的操作可以使燃油流量20下降到产生全功率或所需速度所需的流量以下，在这种情况下，负载控制系统30将通过减小发动机上的负载自动地进行补偿。

尽管在这里已经示出并说明了本发明的优选实施例，但是显而易见的是这些实施例仅仅是作为示例提供的。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员还可以进行多种变化、更改和替换。本发明仅仅限定在所附的权利要求的精神和范围内。

Claims (10)

1、在一种用于机车内燃机的燃油控制系统(50)中，其中，燃油流量被控制为响应于需求信号(16)，并且其中，该燃油流量被限制为不大于最大许用燃油流量值(22)，从而防止出现不希望的操作状态，该方法包括下列步骤：响应于被测量的参数相对于时间改变所述最大许用燃油流量值(52)。

2、如权利要求1所述的方法，其中，所述被测量的参数是发动机性能参数。

3、如权利要求2所述的方法，其中，所述发动机性能参数包括每单位发动机性能的燃油使用量。

4、如权利要求2所述的方法，其中，所述发动机性能参数包括每单位发动机性能的被补偿(56)环境条件的燃油使用量。

5、如权利要求3所述的方法，进一步包括响应于下列被测量参数组中的一个参数改变所述最大许用燃油流量值，该参数组包括：由发动机产生的每功率的燃油流率(62)、每发动机冲程的燃油流率、每单位发动机速度的燃油流率和由发动机产生的每单位扭矩的燃油流率。

6、如权利要求1所述的方法，进一步包括下列步骤：响应于通过低通滤波器(64)的发动机性能参数的变化来改变所述最大许用燃油流量值。

7、一种控制内燃机的装置(50)，该装置包括：

响应于需求信号(12)和反馈信号(18)以产生燃油需求(16)的调节器(14)；

响应于历史发动机性能数据以产生自适应燃油限度(54)的燃油限制器(52)；

响应于所述自适应燃油限度和所述燃油需求以控制燃油流量(20)的控制器(30)。

8、如权利要求7所述的装置，其中，所述燃油限制器进一步包括：

响应于所述燃油需求信号和发动机动力信号(60)以产生每单位动力的燃油消耗的信号(62)的计算器(61)；

响应于所述每单位动力的燃油消耗的信号以产生经滤波的单位动力的燃油消耗的信号(76)的低通滤波器(64)；

响应于所述经滤波的每单位动力的燃油消耗的信号和最大动力额定信号(78)以产生燃油限度信号(54)的乘法器。

9、如权利要求8所述的装置，进一步包括：

响应于所述每单位动力的燃油消耗的信号和经滤波的每单位动力的燃油消耗的信号以产生差异信号(85)的比较器(84)；以及

响应于所述差异信号以产生故障等级信号(88)的积分器(86)。

10、如权利要求9所述的装置，进一步包括响应于所述故障等级信号以产生错误警报(92)的阈值检测器(90)。

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