使用标准质量控制技术的检测往复装置异常的系统和方法

使用标准质量控制技术的检测往复装置异常的系统和方法
【专利摘要】本发明题为使用标准质量控制技术的检测往复装置异常的系统和方法。一种系统，包括控制器，所述控制器被配置成接收由耦合到往复装置的至少一个爆震传感器采集的信号、采样所述接收的信号、分析所述采样的信号，并且利用标准质量控制(SQC)技术基于被分析的信号对往复装置执行实时诊断。
【专利说明】
使用标准质量控制技术的检测往复装置异常的系统和方法
技术领域
[0001]本文中公开的主题涉及爆震传感器，且更具体地，涉及利用安装在大型、多缸往复装置(例如，燃烧发动机，压缩机，等)的爆震传感器与标准质量控制技术以检测往复装置的异常。
【背景技术】
[0002]燃烧发动机典型地燃烧含碳燃料，例如天然气、汽油、柴油等等，且使用相应的高温高压气体的膨胀以将力施加至发动机某些组件(例如，汽缸中安装的活塞)来使组件移动超过一定距离。每个汽缸可能包括一个或多个阀门，它们的打开和闭合与含碳燃料的燃烧有关。例如，进气阀可引导氧化剂例如空气进入汽缸，其然后与燃料混合且燃烧。燃烧流体，例如，热气，可能随后被引导经由排气阀排出汽缸。因此，含碳燃料被转换为机械动作，用于驱动负载。例如，负载可以是产生电能的发电机。在使用期间，燃烧发动机可经历多种噪声、机械故障、或可能难于检测和/或预测的条件变化。

【发明内容】

[0003]下面概述与原始请求保护的发明的范围相对应的某些实施例。这些实施例并不意在限定请求保护的发明的范围，而相反，这些实施例仅意在提供本发明的可能形式的简要总结。事实上，本发明可以包含可能类似于或不同于下面阐明的实施例的多种形式。
[0004]依照第一实施例，一种系统包括控制器，其被配置成接收由通过耦合到往复装置的至少一个爆震传感器所采集的信号，采样接收的信号，分析该采样的信号，并且利用标准质量控制(SQC)技术基于被分析的信号对往复装置执行实时诊断。
[0005]根据第二实施例，系统包括用于对往复装置执行实时诊断的方法。该方法包括利用通信耦合到往复装置的控制器用于接收来自耦合到往复装置的至少一个爆震传感器的信号，对接收的信号进行采样，分析采样的信号，以及使用SQC技术基于分析的信号对往复装置执行实时诊断。
[0006]根据第三实施例，系统包括用于对往复装置执行实时诊断的方法。该方法包括使用通信耦合到往复装置的控制器用于对从耦合到往复装置的至少一个爆震传感器上接收的信号进行采样，对采样的信号应用时间滤波器以生成时间滤波的信号，并且对该时间滤波的信号应用快速傅里叶(Fourier)变换以生成傅里叶变换信号。该方法还包括利用该控制器用于从傅里叶变换的信号中生成功率谱密度，且利用SQC技术基于功率谱密度对往复装置执行实时诊断。
[0007]提供了以下技术方案:
[0008]技术方案1:一种系统，包括:
[0009]控制器，被配置成接收通过耦合到往复装置的至少一个爆震传感器所采集的信号，采样所述接收的信号，分析所述采样的信号，且使用标准质量控制(SQC)技术基于所述被分析的信号对所述往复装置执行实时诊断。
[0010]技术方案2:如技术方案I所述的系统，其中SQC技术包括SQC图表统计。
[0011]技术方案3:如技术方案I所述的系统，其中所述控制器被配置成通过时间滤波所述采样的信号以生成时间滤波的信号来分析所述采样的信号。
[0012]技术方案4:如技术方案3所述的系统，其中所述控制器被配置成通过利用窗口函数来时间滤波所述采样的信号。
[0013]技术方案5:如技术方案3所述的系统，其中所述控制器被配置成对所述时间滤波的信号应用快速傅里叶变换以产生傅里叶变换的信号。
[0014]技术方案6:如技术方案5所述的系统，其中所述控制器被配置成由所述傅里叶变换的信号生成具有多个谱区段的功率谱密度。
[0015]技术方案7:如技术方案6所述的系统，其中所述控制器被配置成在多个周期上平均所述多个谱区段中的每个谱区段以生成每个谱区段相应的基准线。
[0016]技术方案8:如技术方案7所述的系统，其中所述控制器被配置成为每个谱区段设置相对于相应的基准线的2σ (s igma)和3σ (s igma)阈值水平。
[0017]技术方案9:如技术方案8所述的系统，其中所述控制器被配置成将来自多个谱区段的与已知的往复装置或往复装置故障相关联的一个或多个谱区段与它们的相应的基准线以及相关联的2σ( sigma)和3σ( sigma)阈值水平比较。
[0018]技术方案10:如技术方案9所述的系统，其中所述控制器被配置成如果所述一个或多个谱区段偏离了它们的相应的基准线至少2o(Sigma)的阈值水平则提供指示。
[0019]技术方案11:如技术方案10所述的系统，其中所述控制器被配置成如果一个或多个谱区段偏离它们的相应的基准线至少3o(Sigma)阈值水平，则输出相对于所述往复装置的控制动作。
[0020]技术方案12:—种用于对往复装置执行实时诊断的方法，包括:
[0021]使用通信耦合到所述往复装置的控制器用于:接收来自耦合到所述往复装置的至少一个爆震感传感器的信号；
[0022]采样所述接收的信号；
[0023]分析所述采样信号；以及
[0024]利用标准质量控制(SQC)技术基于分析的信号对往复装置执行实时诊断。
[0025]技术方案13:如技术方案12所述的方法，其中分析所述采样的信号包括时间滤波所述采样信号以生成时间滤波的信号。
[0026]技术方案14:如技术方案13所述的方法，其中时间滤波所述采样的信号包括对采样的信号应用窗口函数。
[0027]技术方案15:如技术方案13所述的方法，其中分析所述采样的信号包括对所述时间滤波的信号应用快速傅里叶变换以生成傅里叶变换的信号。
[0028]技术方案16:如技术方案15所述的方法，其中分析所述采样的信号包括从所述傅里叶变换的信号中生成具有多个谱区段的功率谱密度。
[0029]技术方案17:如技术方案16所述的方法，包括在多个周期上平均所述多个谱区段中的每个谱区段以生成每个谱区段的相应的基准线，且为每个谱区段设置相对于相应的基准线的2σ (s igma)和3σ (s igma)阈值水平。
[0030]技术方案18:如技术方案17所述的方法，包括将来自多个谱区段的与已知的往复装置或往复装置故障相关联的一个或多个谱区段与它们的相应的基准线以及相关联的2σ(s igma)和3σ( s igma)阈值水平比较。
[0031]技术方案19:如技术方案18所述的方法，包括如果所述一个或多个谱区段偏离了它们的相应的基准线至少2o(Sigma)阈值水平，则提供指示，并且如果所述一个或多个谱区段偏离它们的相应的基准线至少3o(Sigma)阈值水平，则输出相对于所述往复装置的控制动作。
[0032]技术方案20:—种用于对往复装置执行实时诊断的方法，包括:
[0033]利用通信耦合到所述往复装置的控制器用于:
[0034]对从耦合到所述往复装置的至少一个爆震传感器上接收的信号进行采样；
[0035]对所述采样的信号应用时间滤波器以生成时间滤波的信号；
[0036]对所述时间滤波的信号应用快速傅里叶变换以生成傅里叶变换的信号；
[0037]从所述傅里叶变换信号中生成功率谱密度；以及
[0038]使用标准质量控制(SQC)技术基于所述功率谱密度对往复装置执行实时诊断。
【附图说明】
[0039]当参考附图来阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征，方面，以及优势将被更好的理解，其中整个附图中同样的附图标记表示同样的部分，其中:
[0040]图1是根据本公开的方面的发动机驱动的发电系统的一部分的实施例的框图；
[0041]图2是根据本公开的方面的图1中所示出的往复发动机的汽缸中的活塞组合件的实施例的侧面横断面视图；
[0042]图3是说明根据本公开的方面的监测发动机健康的过程的实施例的流程图；
[0043]图4是说明利用快速傅里叶变换(FFT)和功率谱密度(PSD)来监测发动机健康的过程的实施例的流程图；
[0044]图5是说明利用FFT，PSD，和不同σ(sigma)阈值水平来监测发动机健康的过程的实施例的流程图；
[0045]图6是根据本公开的方面的SQC图表(例如，q_q绘图)的实施例；以及
[0046]图7是根据本公开的方面的SQC图表(例如，1-图表)和相关联的图解特征的实施例。
【具体实施方式】
[0047]下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可能没有在说明书中描述实际实现的所有特征。应当意识到，在开发任何这样的实际实现中，如在任何工程学或设计方案中，为了完成开发者的特定目标必须作出许多特定实现决策，例如遵从与系统相关以及与商业相关的约束，从一个实现到另一实现，这些约束都可能改变。此外，应当意识到，这样的开发上的努力可能是复杂且耗时的，但在对具有本公开的好处的本领域技术人员来说，仍然是承担设计、制造以及生产的例行任务。
[0048]当介绍本发明各个实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”、“所述”意在表示存在有元件中的一个或多个。术语“包含”、“包括”以及“具有”意在是包含性的并且表示可以存在有多于所列的元件的附加的元件。
[0049]在使用期间，由于机械故障或可能难以检测(例如位置)和/或预测的状况变化，所以内燃机(或其它往复装置或机器，例如压缩机)可能经受各种噪声。可以利用爆震传感器来监测内燃机。爆震传感器系统时不时地记录噪声(例如异常噪声或不期望的噪声)。可以有利的是，一直监测这些噪声以识别任何潜在的故障(例如，发动机故障)或异常条件，而不是忽略和丢弃未识别的噪声。这些故障或条件可能包括正常的磨损维护项目和/或异常的组件故障。还可以有利的是，利用SQC技术(例如SQC图标技术)用于诊断和提前预诊断(例如，以监控非高斯(non-Gaussian)行为)。通过监测在确定的通过爆震传感器系统检测的某些噪声的趋势，潜在的故障的发生可能被更早的检测且修正动作将被作出以减少任何潜在的由任何发动机失效、故障、和/或不期望的条件变化引起的燃烧发动机附带损害。如在下面进一步详细描述的，系统和方法可被提供用于用利用SQC技术的爆震传感器监测和分析燃烧发动机(或其他往复装置)内的异常噪声。
[0050]转向附图，图1说明了关于发动机驱动的发电系统8的一部分的实施例的框图；如下文中详细描述的，系统8包括发动机10(例如，往复内燃机)，其具有一个或多个燃烧室12(例如，1，2，3，4，5，6，7，8，10，12，14，16，18，20，或更多的燃烧室12)。空气供应14被配置为提供加压的氧化剂16，例如，空气，氧气，富氧空气，贫氧空气，或其任何组合到每个燃烧室12中。燃烧室12也被配置为从燃料供应19接收燃料18 (例如，液体的和/或气体的燃料)，以及在每个燃烧室12中燃料-空气混合物点燃且燃烧。热加压燃烧气体使得相邻于每个燃烧室12的活塞20在汽缸26中线性的移动且转化气体施加的压力为旋转动作，其使得轴22旋转。此外，轴22可能耦合到负载24上，其以轴22的旋转为动力。例如，负载24可能是任何合适的装置，其可能通过系统10，例如发电机，的旋转输出生成功率。此外，尽管随后的讨论将空气视为氧化剂16，任何合适的氧化剂都可以与公开的实施例一起使用。类似地，燃料18可能是任何合适的气体燃料，诸如例如天然气，石油伴生气，丙烷，生物质气体，沼气，垃圾气，煤矿气。
[0051]本文中公开的系统8可能适用于在固定应用(例如，工业发电发动机)上的使用，或在移动应用(例如，汽车或飞机)上的使用。发动机10可能是两冲程发动机，三冲程发动机，四冲程发动机，五冲程发动机或六冲程发动机。发动机10还可包括任何数量的燃烧室12，活塞20，和相关联的汽缸(例如，1-24)。例如，在某些实施例中，系统8可能包括大型的工业往复发动机，其具有在汽缸中往复运动的4，6，8，10，16，24或更多的活塞20。在一些这样的情况下，汽缸和/或活塞20可能具有在大约13.5-34厘米(cm)之间的直径。在一些实施例中，汽缸和/或活塞20可能具有在大约10-40cm，15-25cm之间，或大约15cm的直径。系统10可能生成从1kW到1MW的范围内的功率。在一些实施例中，发动机10可能以至少大约1800转每分钟(RPM)运行。在一些实施例中，发动机10可以以少于大约2000RPM，1900RPM，1700RPM，1600RPM，1500RPM，1400RPM，1300RPM，1200RPM，1000RPM，900RPM，或750RPM运行。在一些实施例中，发动机10可以运行在大约750-2000RPM，900-1800RPM，或1000-1600RPM之间。在一些实施例中，发动机 10 可以以大约 1800RPM，1500RPM，1200RPM，1000RPM，S900RP]\titS。*范的发动机10可包括例如通用公司(General Electric Company)的Jenbacher发动机(例如，Jenbacher2型，3型，4型，6型或J920F1 eXtra)或Waukesha发动机(例如，Waukesha VGF，VHP，APG，275GL)0
[0052]发动机驱动的发电系统8可能包括一个或多个适用于检测发动机“爆震”的爆震传感器23。爆震传感器23可以感测由发动机引起的振动，例如由于爆燃，提前点火，和或噪音引起的振动。此外，发动机驱动的发电系统可以包括其它的传感器27(例如，一个或多个温度变换器)以检测其它的运行条件(例如，一个或多个爆震传感器23所耦合到的介质(例如，铸铁)的温度(例如，全局温度和/或温度梯度))。爆震传感器23被示出为通信地耦合到发动机控制单元(E⑶)25上。在运行期间，来自爆震传感器23的信号被传递到ECU 25上以确定爆震条件(例如，噪声)是否存在。ECU 25可以然后调整某些发动机10的参数以改善或消除爆震条件。例如，ECU 25可能调节点火定时和/或调整升压压力以消除爆震。如本文中进一步描述的，爆震传感器23可能另外导出:某些振动应被进一步分析和归类以监测，例如，潜在的不期望的发动机条件。尽管接下来的技术相对于燃烧发动机来讨论，相同的技术可能被用于其它往复装置例如压缩机中。
[0053]图2是具有设置在往复发动机10的汽缸26(例如，发动机汽缸)内的活塞20的活塞组合件25的实施例的侧面横断面视图。汽缸26具有内环壁面28，其确定圆柱形腔室30(例如，汽缸筒)。活塞20可能通过轴向的轴或方向34，径向的轴或方向36，和周向轴或方向38来限定。活塞20包括顶部40(例如，端环槽脊)。顶部40通常封锁燃料18和空气16，或燃料-空气混合物32，以避免在活塞20作往复运动期间从燃烧室12中逸出。
[0054]如示出的，活塞20经由连接杆56和销58附连到曲轴54上。曲轴54将活塞24的往复的线性运动转化为旋转运动。当活塞20移动时，曲轴54旋转来为负载24提供能量(图1中示出的)，如上面讨论的。如示出的，燃烧室12位于紧邻活塞24的端环槽脊40。燃料喷射器60提供燃料18到燃烧室12中，且进气阀62控制传输空气16到燃烧室12中。排气阀64控制排气从发动机10中的排出。然而，应当理解的是，用于提供燃料18和空气16到燃烧室12和/或用于排出排气的任何合适的元件和/或技术都可被利用，且在一些实施例中，未使用燃料喷射。在运行时，燃料18伴随空气16在燃烧室12中的燃烧使得活塞20以往复的方式(例如，来回)在汽缸26的腔室30的轴向方向34上移动。
[0055]在运行期间，当活塞20处于汽缸26的最高点时，其处于被称为上死点(TDC)的位置。当活塞20处于汽缸26中的其最低点时，其处于被称为下死点(BDC)的位置。当活塞20从顶部移到底部或者从底部移到顶部时，曲柄轴54旋转半周。活塞20从顶部到底部或者从底部到顶部的每次移动被称为一个冲程，以及发动机10实施例可以包括两冲程发动机、三冲程发动机、四冲程发动机、五冲程发动机、六冲程发动机，或者更多。
[0056]在发动机10运行过程中，通常发生的顺序(sequence)包括进气过程、压缩过程、作功过程、以及排气过程。进气过程使可燃混合物，例如燃料和空气，能够被推入到汽缸26，因此进气阀62打开并且排气阀64关闭。压缩过程压缩可燃混合物到更小空间，因此进气阀62和排气阀64两者都关闭。作功过程点火压缩的燃料-空气混合物，其可以包括通过火花塞系统的火花点火，和/或通过压缩热栗的压缩点火。从燃烧中得到的压力接着推动活塞20到BDC。排气过程通常使活塞20返回到TDC，同时保持排气阀64打开。因此，排气过程通过排气阀64排出耗尽的燃料-空气混合物。要注意的是，每个汽缸26可以使用多于一个的进气阀62和排气阀64。
[0057]描绘的发动机10还包括曲柄轴传感器66、爆震传感器23、以及发动机控制单元(E⑶)25，发动机控制单元包括处理器72和存储器74。曲柄轴传感器66感测曲柄轴54的位置和/或转速。因此，可以推导出曲柄角或曲柄定时信息。也就是，当监测内燃机时，定时常常根据曲柄轴54的角度来表示。例如，四冲程发动机10的完整周期可作为720°的周期进行测量。爆震传感器23可以是压电加速度计、微机电系统(MEMS)传感器、霍尔效应传感器、磁致伸缩传感器、和/或设计成感测振动、加速度、声音、和/或移动的任何其它传感器。在其它实施例中，传感器23可以不是爆震传感器，而是可以感测振动、压力、加速度、偏转、或者移动的任何传感器。
[0058]由于发动机10的冲击特性，即使在安装在汽缸26的外部时，爆震传感器23也可能够检测特征。然而，爆震传感器23可以设置在汽缸26内部或周围的各种位置处。此外，在一些实施例中，单个爆震传感器23例如可以由一个或多个相邻汽缸26共享。在其它实施例中，每个汽缸26可以包括一个或多个爆震传感器23(例如，沿穿过发动机10的一个或多个平面设置的爆震传感器23的一个或多个阵列)。曲柄轴传感器66以及爆震传感器23被示出与发动机控制单元(ECU)25电通信地耦合。ECU 25包括处理器72和存储器74(例如，机器可读介质)。存储器74可以存储可由处理器72执行的非暂时性代码或计算机指令。ECU 25例如通过调节燃烧定时，阀62、64，定时，调节燃料和氧化剂(例如，空气)的传送，等等来监测并且控制发动机1的运行.
[0059]有利地，本文中描述的技术可以利用ECU25来接收、采集、或采样来自一个或多个曲柄轴传感器66和/或一个或多个爆震传感器23的数据(例如噪声信号)。为了检测和/或定位发动机10内的任何重合噪声，来自传感器(例如，爆震传感器和/或曲柄轴传感器66)的数据两者可以以相同的速率采样并且同时获取。在某些实施例中，被利用来检测和/或定位重合噪声的噪声信号可以单独地从一个或多个爆震传感器23接收。在其它实施例中，被利用来检测和/或定位重合噪声的噪声信号可以从曲柄轴传感器66和爆震传感器23两者接收。每个噪声信号表示在相应的爆震传感器23处检测到的发动机10的噪声特征。在某些实施例中，ECU 25通过绘制爆震传感器23相对于曲柄轴54位置的数据图表来创建“噪声”特征。接着，ECU 25可以经过分析数据的过程，以推导出正常特征(例如，已知及预期的噪声)和/或不正常特征(例如，未知及未预期的噪声)。接着，ECU 25可以表征不正常特征(例如，检测和/或定位重合噪声)，如下面更详细描述的。通过提供特征分析，本文中描述的技术可以使能更优化且更有效地进行发动机10的操作和维护。
[0060]图3是说明用于监测发动机健康(例如，图2中的发动机10)的过程76的实施例的流程图。相似的过程可以被用于监测往复装置(例如，压缩机)的健康。步骤76可被实现为存储在存储器74中且可通过ECU 25的处理器72或任何往复装置控制器执行的计算机指令或可执行的代码。过程76包括从耦合到发动机10上的一个或多个爆震传感器23接收一个或多个信号(区块78)。过程76还包括采样和分析从一个或多个爆震传感器23接收的一个或多个信号(区块80)。在某些实施例中，来自单一爆震传感器23的单一信号可以被持续的采样和分析。在其它的实施例中，来自多个爆震传感器23来的信号可能被持续的采样和分析，单独地和/或组合的。爆震传感器23可能在相等大小的八分或六分倾析(decant)的区间(timebuckets)中被采样。例如，如果发动机10是四冲程发动机，则在每次燃烧循环中曲轴发生两次旋转。在四冲程循环期间，爆震传感器23可能每45或90曲轴角度采样一次，对于每个燃烧事件分别有8或16次。在某些实施例中，在对接收的信号采样期间，最小的滤波器可以被应用(例如，抗混叠滤波器)。
[0061]如更详细的描述的，分析采样的信号可以包括处理采样的信号，例如，通过时间滤波。时间滤波有助于分析信号因为信号的小窗口被采样(例如，燃烧循环期间的非压缩事件)。时间滤波可能包括在应用快速傅里叶变换(FFT)之前将对被采样的信号应用窗口函数。窗口函数可能包括汉明(Hamming)窗口、平顶(flat top)窗口、布莱克曼(Blackman)窗口，或可以时间滤波信号以使能采样的信号的期望部分的分析的任何其它类型的窗口函数。发动机10(或往复装置，例如压缩机)中某些机械故障或事件与特定的频带(例如，时间频谱或谱区段内的特定频率)和/或特定的非压缩窗口事件相关联。这些事件不完全的列表可以包括尖端点火压力异常、进气或排气阀粘连打开或关闭、进气或排气阀损坏、阀链损坏、活塞磨损或损坏、活塞销和/或套管磨损或损坏、活塞杆和/或衬套磨损或损坏、连杆和/或轴承磨损或损坏、连杆螺栓变松、配重和/或螺栓变松、主轴承损坏、凸轮轴凸角磨损、活塞环开裂或损坏，燃烧汽缸中窜气(excessive blow)、汽缸套严重腐蚀、和/或汽缸套严重划痕。通过时间滤波采样的信号，与特定事件相关联的特定频率和幅值区段量级可以被分析(随后到FFT)。在时间滤波之后，采样的信号的分析可能也包括应用FFT且随后从采样的信号获得功率谱密度(PSD)(幅值)。功率谱密度包括若干谱区段或区间。从多个燃烧循环(或往复装置例如压缩机情况下的冲程循环)中获得的谱区段或区间的阵列(例如，与感兴趣的特定事件例如尖端点火压力相关联的)可能被平均以获得每个区段或区间的基准线。在某些实施例中，每个事件(燃烧循环或燃烧事件)可能具有应用来为相应的基准线生成加权平均的加权系数。
[0062]当发动机磨损时，与特定的事件(例如，发动机失效、故障、或异常条件)相关联的特定的频率区段可能增加，同时其它频率区段相对于基准线下降。过程76进一步包括利用SQC技术例如SQC图表统计(区块82)(例如，以使能统计的过程控制)来监测发动机健康。监测发动机健康可能包括监测特定的频率谱或区间中实时的变化(即，通过接收和处理来自爆震传感器23的数据以及足够快的返回结果以及时影响发动机来控制发动机)以使能执行诊断或提前预诊断。多种SQC图表技术可能被利用以生成控制图表(例如，过程图表或质量控制图表)，其确定数据(来自爆震传感器23来的数据)的采样是否落入普遍的或正常的变化范围。多种控制图表可以被利用(例如，1-图表，q-q绘图，等)。另外的图解技术(例如，柱状图)也可以与控制图表一起被使用。在某些实施例中，图表可能被显示用于谱区段的多维阵列，其中每个区段包括表示特定区段(例如，箭头向上用于幅值的增加，箭头向下用于幅值的减少，水平的箭头用于幅值没有变化)量级的趋势的标记。在某些实施例中，该指示符可以是上色的以指示趋势的程度(例如，红色用于从基准线偏差3-0，黄色或橙色用于从基准线偏差2-0，等)。多个控制图表和/或图形特征可能被生成用于上述不同的事件。
[0063]在某些实施例中，监测发动机健康(例如，长期发动机健康)可以包括设定相对于相应的基准线的σ (sigma) (σ)阈值水平(例如，3_σ阈值水平，2_σ阈值水平，等)和比较从当前采样的信号中导出的信息以在从爆震传感器23获得的信息中寻找趋势和/或非高斯(Gaussian)行为。在某些实施例中，基准线是随着从爆震传感器23收集的新信息而连续变化的。换言之，基准线是趋向的而不是重置的(例如，本底噪声随着发动机磨损的函数上升)O
[0064]当监测发动机健康时，过程76包括记录和/或存储从爆震传感器收集的数据和它们随后的分析(区块84)。该数据可能被存储在ECU25的存储器74上和/或远程装置的存储器中。该存储的数据可以包括与谱区段中的偏离(例如，相对于相应的基准线偏离一个或多个谱区段的幅值2-σ或更多)相关联的标记事件和/或错误。步骤76还包括提供发动机健康的指示(区块86)。这可以包括提供某些频带(S卩，谱区段)正趋向于非高斯行为(例如，相对于基准线偏离2_σ而不到3-σ)的警告(例如，警告标志)。某些频带是非高斯水平(例如，相对于基准线处于或超过3-0)的警告(例如，警告标志)也可以被提供。警告可以包括在耦合到ECU25的显示器或借助于网络(例如控制器局域网络)与ECU 25相关联的远程装置上的屏幕上提供视觉或文字的警告。警告可包括经由所属软件传递错误代码(例如，与例如上述那些事件相关联的特定事件相关联的)。提供发动机健康的指示还可以包括显示利用SQC图表技术以及其它图形特征(例如，柱状图)生成的控制图表。
[0065]过程76进一步包括，在某些实施例中，输出影响发动机10的控制动作(区块88)。控制动作的示例包括调整发动机内的条件(例如，速度、负载、阀门位置，等)、关闭发动机、以及其它动作。输出影响发动机10的控制使能发动机10的响应于从爆震传感器23获取的信息的闭环控制。在某些实施例中，控制动作可以仅当频带已经达到非高斯水平(例如，相对于基准线处于或高于3-σ)时被输出。在其它的实施例中，控制动作可能被输出用于趋势朝向非高斯水平(例如，偏离基准线2_σ但少于3-σ)的某些频带以及达到非高斯水平(例如，相对于基准线达到或高于3-σ)的频带。
[0066]图4是说明用于利用FFT和PSD来监测发动机健康(例如，图2中的发动机10)的过程90的实施例的流程图。相似的过程可以被用于监测往复装置(例如，压缩机)的健康。过程90可被实现为存储在存储器74中且可通过ECU 25的处理器72或任何往复装置控制器执行的计算机指令或可执行的代码。过程90包括从耦合到发动机10(区块92)的一个或多个爆震传感器23接收一个或多个信号。过程76还包括如图3描述地那样采样从一个或多个爆震传感器23接收的一个或多个信号(区块92)。在某些实施例中，当对所接收的信号采样时，最小的滤波可以被应用。例如，当对所接收的信号采样时，抗混叠滤波可能被应用(例如，以限制信号的带宽来满足采样法则)。
[0067]另外，过程90包括处理采样的信号(区块96)，例如，借助于时间滤波。时间滤波有助于分析信号因为信号的小窗口被采样(例如，燃烧循环期间的非压缩事件)。时间滤波可以包括在应用FFT之前将窗口函数应用到被采样信号。窗口函数可能包括汉明(Hamming)窗口、平顶(flat top)窗口、布莱克曼(Blackman)窗口、或可以时间滤波信号以使能分析采样的信号期望的部分的任何其它类型的窗口函数。如上述的发动机10中的某些机械故障或事件与特定的频带(例如，区间频谱或区段频谱内的特定的频率)和/或特定的非压缩窗口事件相关联。通过采样的信号的时间滤波，与特定的事件相关联的特定频率和幅值区段可以被分析(随后于FFT)。
[0068]随后与时间滤波，过程90包括应用FFT到时间滤波的、采样的信号上(区块98)以生成傅里叶变换的信号。过程90包括从每个傅里叶变换的信号中获取或生成PSD(幅值)(区块100)。功率谱密度包括若干谱区段或区间。从多个燃烧循环(或往复装置例如压缩机情况下的冲程循环)中获得的谱区段或区间的阵列(例如，与感兴趣的特定事件例如尖端点火压力相关联)可能被平均以获得每个区段或区间的基准线102(区块104)。在某些实施例中，每个事件(燃烧循环或燃烧事件)可以具有被应用于生成相应的基准线的加权平均的加权系数。
[0069]当发动机磨损时，与特定的事件(例如，发动机失效、故障、或异常条件)相关联的特定的频率区段可能增加，同时其它频率区段相对于基准线下降。过程90进一步包括利用SQC技术例如SQC图表统计(区块106)(例如，以使能统计的过程控制)来监测发动机健康。监测发动机健康可能包括监测特定的频率谱或区间中实时的变化(即，通过接收和处理来自爆震传感器23的数据以及足够快的返回结果以及时影响发动机来控制发动机)以使能执行诊断或提前预诊断。多种SQC图表技术可能被利用以生成控制图表(例如，过程图表或质量控制图表)，其确定数据(来自爆震传感器23来的数据)的采样是否落入普遍的或正常的变化范围。多种控制图表可以被利用(例如，1-图表，q-q绘图，等)。另外的图解技术(例如，柱状图)也可以与控制图表一起被使用。在某些实施例中，图表可能被显示用于谱区段的多维阵列，其中每个区段包括表示特定区段(例如，箭头向上用于幅值的增加，箭头向下用于幅值的减少，水平的箭头用于幅值没有变化)量级的趋势的标记。在某些实施例中，该指示符可以是上色的以指示趋势的程度(例如，红色用于从基准线偏差3-0，黄色或橙色用于从基准线偏差2-0，等)。多个控制图表和/或图形特征可能被生成用于上述不同的事件。
[0070]在某些实施例中，监测发动机健康(例如，长期的发动机健康)可以包括基于与特定的事件相关联的特定的频带中的改变来利用SQC图表统计识别发动机健康的潜在的问题(例如，相对于基准线102趋势朝向非高斯行为)(区块108)。如果识别到潜在的问题，则过程90包括记录和/或存储从爆震传感器收集的数据以及与潜在的问题相关的它们随后的分析(区块110)。该数据可能被存储在ECU 25的存储器74上和/或远程装置的存储器中。该存储的数据可以包括与谱区段中的偏离(例如，相对于相应的基准线偏离一个或多个谱区段的幅值2-σ或更多)相关联的标记事件和/或错误。如果潜在的问题被识别，则过程90还包括提供发动机的潜在问题的指示(区块112)。这可以包括提供某些频带(S卩，谱区段)正趋向于非高斯行为(例如，相对于基准线偏离2_σ而不到3-σ)的警告(例如，警告标志)。某些频带是非高斯水平(例如，相对于基准线处于或超过3-σ)的警告(例如，警告标志)也可以被提供。警告可以包括在耦合到ECU 25的显示器或借助于网络(例如控制器局域网络)与ECU 25相关联的远程装置上的屏幕上提供视觉或文字的警告。提供发动机健康的指示还可以包括显示利用SQC图表技术以及其它图形特征(例如，柱状图)生成的控制图表。
[0071]在某些实施例中，监测发动机健康(例如，长期的发动机健康)可以包括基于与特定的事件相关联的特定的频带中的改变来利用SQC图表统计识别发动机健康的当前或实际的问题(例如即将发生的)(例如，相对于基准线102数据显示非高斯行为)(区块114)。如果识别到潜在的问题，则过程90包括记录和/或存储从爆震传感器收集的数据以及与当前或实际的问题相关的它们随后的分析(区块116)。该数据可能被存储在ECU 25的存储器74上和/或远程装置的存储器中。该存储的数据可以包括与谱区段中的偏离(例如，相对于相应的基准线偏离一个或多个谱区段的幅值多于3-σ)相关联的标记事件和/或错误。如果当前或实际的问题被识别，则过程90还包括提供发动机的潜在问题的指示(区块118)。这可以包括提供某些频带(即，谱区段)正显示非高斯行为(例如，相对于基准线偏离3-σ或高于3-σ)的警告(例如，警告标志)。警告可以包括在耦合到ECU25的显示器或借助于网络(例如控制器局域网络)与ECU 25相关联的远程装置上的屏幕上提供视觉或文字的警告。警告可包括经由所属软件传递错误代码(例如，与例如上述那些事件相关联的特定事件相关联的)。提供发动机健康的指示还可以包括显示利用SQC图表技术以及其它图形特征(例如，柱状图)生成的控制图表。
[0072]过程90进一步包括，在某些实施例中，输出响应于基于SQC图表统计的识别到发动机健康的当前或实际问题而影响发动机1的控制动作(区块12 O)。控制动作的示例包括调整发动机内的条件(例如，速度、负载、阀门位置，等)、关闭发动机，以及其它的动作。输出影响发动机10的控制使能发动机10的响应于从爆震传感器23获取的信息闭环控制。
[0073]图5是说明用于利用FFT，PSD和不同的σ(s igma)阈值水平来监测发动机健康(例如，图2中的发动机10)的过程122的实施例的流程图。相似的过程可能被用于监测往复装置(例如，压缩机)的健康。过程122可被实现为存储在存储器74中且可通过ECU 25的处理器72或任何往复装置控制器执行的计算机指令或可执行的代码。过程122包括从耦合到发动机10上的一个或多个爆震传感器23上接收一个或多个信号(区块124)、采样从一个或多个爆震传感器23接收的一个或多个信号(区块126)、以及如上述图4中描述的那样处理该采样数据(区块128)。另外，过程122包括应用FFT以生成傅里叶变换的信号(区块130)以及获得或者生成傅里叶变换的信号中的每个的PSD(区块132)如前文图4描述的那样。
[0074]功率谱密度包括若干谱区段或区间。从多个燃烧循环(或往复装置例如压缩机情况下的冲程循环)中获得的谱区段或区间的阵列(例如，与感兴趣的特定时间例如尖端点火压力相关联)可以被平均以获得每个区段或区间的基准线134(区块136)。在某些实施例中，每个事件(燃烧循环或燃烧事件)可以具有应用来为相应的基准线产生加权平均的加权系数。
[0075]过程122包括设置相对于各自基准线的2-0和3-σ阈值水平(区块138)。在某些实施例中，另外的阈值水平可能被设置(例如，1_σ、1.5-0，等)。过程122还包括将特定的区段或区间与它们的对应的基准线上相比较以检测非高斯行为(区块140)。过程122包括确定特定的区段或区间是否偏离它们的相应的基准线2-σ阈值水平或超过相应的2-σ阈值水平(区块142)。如果特定的区段或区间没有从它们的相应的基准线偏离至少2-0，者过程122包括继续将特定的区段或区间与它们对应的基准线相比较(区段140)。然而，如果特定的区段或区间确实偏离它们的相应的基准线至少2-σ，则过程122包括确定特定的区段或区间是否偏离它们的相应的基准线3-0阈值水平或超过相应的3-0阈值水平(区块144)。区块142和144可以连续发生或同时发生。如果特定的区段或区间没有从它们的相应的基准线偏离至少3-σ，则过程122包括记录或存储问题(区块146)和/或提供关于趋势朝向非高斯行为(区块148)的指示或警告，如上面在图3和4中描述的那样。如果特定的区段或区间确实从它们的相应的基准线偏离至少3-σ，则过程122包括记录或存储问题(区块150)、提供关于趋势朝向非高斯行为指示或警告(区块152)、和/或输出关于发动机(或往复装置)的控制动作，如上面图3和4中描述的那样。
[0076]图6是被用在上述的SQC图表技术中的SQC图表的示例的实施例。图6中描绘的SQC图表是q-q图(也被称为分位数-分位数图或分位数图)156 4-q图156描绘从爆震传感器23接收的每个燃烧事件(如通过脉冲158表示的)相对于直线160的观察的峰值(例如，对应于尖端点火压力)。直线160表示被线性化的经验累积分布函数的威尔布(Weibull)图。y轴162表示峰值的值且X轴164表示理论分位数或标准预期的值。时间滤波器(例如，窗口函数)被应用至数据以具体地分析尖端点火压力。不同的时间滤波器可能被应用到来自爆震传感器的数据以查看其它事件(例如，上述的进气阀或其它事件)。
[0077]图7是被用在上述的SQC图表技术中的SQC图表以及相关联的图形特征(例如，柱状图)的实施例。图7中描绘的SQC图表是1-图表166。7轴168表示峰值(例如，对应于尖端点火压力)的值。X轴170表示事件的数目或时间上的数据点。T-图表166描绘了从爆震传感器23接收的每个燃烧事件(如通过脉冲172表示的)观察的峰值(例如，对应于尖端点火压力)。观察的峰值172从左到右按时间排序。该1-图表166描绘了在连续观察点(例如，值172)之间的移动范围(例如，短期可变性)，如由附图标记174表示的。1-图表166还描绘了值的平均或基准线，如通过线176表示的。1-图表166还描绘了相对于基准线176的各种0阈值水平。例如，I
0、-10、1.50(偏离线)、-1.50(偏离线)、20(警告线)、-20(警告线)、30(动作线)、-30(动作线)分别由线178、180、182、184、186、188、190和192表示。该σ阈值水平可以如上面在图3-5中描述的那样被利用。图7还描绘了柱状图194，其图形地展示了值(如1-图表166中示出的)落入某些σ阈值水平事件的数目。时间滤波器(例如，窗口函数)被应用至数据来具体地分析尖端点火压力的。不同的时间滤波器可以被应用到来自爆震传感器的数据以查看其它事件(例如，上述的进气阀或其它事件)。
[0078]公开的实施例的技术效果包括提供了用于监测往复装置(例如，燃烧发动机、压缩机，等)的健康的系统和方法。使用从爆震传感器收集的信息或数据，SQC统计技术(例如，SQC图表技术)可能被用于分析被分析信号的特定区段或区间(例如，对非高斯行为或朝向非高斯行为的趋势)以提前确定发生或将要发生的正常磨损维护项目和/或异常组件故障。系统和方法被用于诊断或预先预诊断以最小化或避免对往复装置的损坏以及设备的任何停机时间。
[0079]这个书面描述使用示例，包括最优的方式，来公开本发明，并且也使得本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统且执行任何合并的方法。本发明可获得专利的范围通过权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这些其它示例被有意的包含在权利要求的范围内，如果它们具有与权利要求字面语言并无差别的结构元件，或如果它们包括与权利要求字面语言无实质差别的等价结构元件。
【主权项】
1.一种系统，包括: 控制器，被配置成接收通过耦合到往复装置的至少一个爆震传感器所采集的信号、采样所述接收的信号、分析所述采样的信号，并且利用标准质量控制(SQC)技术基于所述分析的信号对所述往复装置执行实时诊断。2.如权利要求1所述的系统，其中SQC技术包括SQC图表统计。3.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过时间滤波所述采样的信号以生成时间滤波的信号来分析所述采样的信号。4.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器被配置成通过利用窗口函数来时间滤波所述采样的信号。5.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器被配置成对所述时间滤波的信号应用快速傅里叶变换以产生傅里叶变换的信号。6.如权利要求5所述的系统，其中所述控制器被配置成由所述傅里叶变换的信号生成具有多个谱区段的功率谱密度。7.如权利要求6所述的系统，其中所述控制器被配置成在多个周期上平均所述多个谱区段中的每个谱区段以生成每个谱区段相应的基准线。8.如权利要求7所述的系统，其中所述控制器被配置成为每个谱区段设置相对于所述相应的基准线的2σ和3σ阈值水平。9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器被配置成将来自多个谱区段的与已知的往复装置或往复装置故障相关联的一个或多个谱区段与它们的相应的基准线以及相关联的2 σ和3 σ阈值水平比较。10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器被配置成如果所述一个或多个谱区段偏离了它们的相应的基准线至少2σ的阈值水平则提供指示。
【文档编号】F02D41/22GK105937459SQ201610223627
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年1月7日
【发明人】J·J·比祖布
【申请人】通用电气公司