CN104481711A - 一种控制双燃料机车的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制双燃料机车的方法，方法包括：工况判断步骤，根据机车的运行参数判断机车的工况；目标值确定步骤，基于机车的工况和动力模式，分别获取发动机和/或电机的调节参数的目标值；调节步骤，获取发动机和/或电机的调节参数的实际值，分别结合发动机和/或电机的调节参数的目标值，对发动机和/或电机的运行状态进行调节。相较于现有的机车机车控制方法无法很好地适用于对双燃料机车的控制需求，本方法通过在单燃料模式和双燃料模式下，分别采用不同的方法来控制双燃料机车，使得对于机车的控制更加合理、完善。

Description

一种控制双燃料机车的方法

技术领域

本发明涉及机车技术领域，具体地说，涉及一种控制双燃料机车的方法。

背景技术

为了解决日益严峻的石油能源枯竭问题和由发动机排放造成的环境污染问题，目前世界各国都在大力发展资源丰富、高效、清洁的代用能源。而现阶段国内铁路运输行业的内燃机车基本都以柴油为燃料，所以采用新能源作为动力在未来必将成为内燃机车发展最现实和最有效的方向，潜在的市场空间巨大。而双燃料交流传动内燃机车采用柴油和天然气双燃料运行，较之以往单一采用柴油的内燃机车具有经济、环保、节能等特点。

双燃料机车与单一采用柴油作为燃料的内燃机车相比，其不同在于：采用了可同时燃烧柴油和天然气的发动机；增加了燃气系统，包括液化天然气罐、相关机车线路及电器；机车运行分为纯柴油和柴油、天然气双燃料两种模式。由于双燃料机车与单一燃料机车的上述诸多不同，目前对单一燃料机车的控制方法并不适用于双燃料机车。

基于上述情况，亟需一种能够有效、可靠地对双燃料机车进行控制的方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种控制双燃料机车的方法，所述方法包括：

工况判断步骤，根据机车的运行参数判断所述机车的工况；

目标值确定步骤，基于所述机车的工况和动力模式，分别获取发动机和/或电机的调节参数的目标值；

调节步骤，获取发动机和/或电机的调节参数的实际值，分别结合所述发动机和/或电机的调节参数的目标值，对所述发动机和/或电机的运行状态进行调节。

根据本发明的一个实施例，所述工况包括牵引工况、制动工况和自负荷工况，所述动力模式包括单燃料模式和双燃料模式。

根据本发明的一个实施例，发动机的调节参数包括发动机负载反馈。

根据本发明的一个实施例，

如果所述机车处于单燃料模式，则获取机车的当前油门位置信息，作为所述发动机负载反馈的实际值；

如果所述机车处于双燃料模式，则获取发动机的当前喷气量信息，作为所述发动机负载反馈的实际值。

根据本发明的一个实施例，所述方法还根据所述发动机负载反馈的实际值和目标值，确定所述发动机的状态，其中，

如果所述发动机负载反馈的实际值与目标值的差值大于第一预设差值阈值，则判断发动机过载；

如果所述发动机负载反馈的实际值与目标值的差值小于第二预设差值阈值，则判断发动机欠载。

根据本发明的一个实施例，所述电机包括牵引电动机和/或主发电机。

根据本发明的一个实施例，在所述牵引工况下，牵引电动机的调节参数包括牵引电动机力矩，获取所述牵引电机力矩的目标值的步骤包括：

获取发动机转速实际值，根据第一预设转速功率模型，确定第一轮周功率的目标值；

获取功率调节系数，根据所述第一轮周功率的目标值和功率调节系数，获取第二轮周功率的目标值；

获取机车速度和机车当前档位的最大牵引力，结合所述第二轮周功率的目标值，根据预设轮周牵引力模型，确定所述牵引电机力矩的目标值。

根据本发明的一个实施例，在所述牵引工况下，主发电的调节参数包括主发电机中间电压，其中，根据机车当前档位，确定主发电机中间电压的目标值。

根据本发明的一个实施例，在所述自负荷工况下，所述主发电机的调节参数包括主发电机中间电压和主发电机功率，获取主发电机调节参数的目标值的步骤包括：

获取发动机转速的实际值，根据第二预设转速功率模型，确定第一功率的目标值和主发电机中间电压的目标值；

获取功率调节系数，根据所述第一功率的目标值和功率调节系数，获取第二功率的目标值，作为主发电机功率的目标值。

根据本发明的一个实施例，获取功率调节系数的步骤包括：

根据机车的动力模式，计算机车当前档位下的发动机负载反馈的基准值；

获取发动机负载反馈的实际值，并结合所述发动机负载反馈的基准值，确定功率调节系数。

根据本发明的一个实施例，在所述制动工况下，牵引电动机的调节参数包括牵引电动机力矩，获取所述牵引电机力矩的目标值的步骤包括：

获取机车的性能参数，根据所述机车的性能参数，计算轮周制动功率；

获取机车速度和机车当前档位的最大制动力，结合所述轮周制动功率，根据预设轮周制动模型，确定所述牵引电机力矩的目标值。

根据本发明的一个实施例，在所述制动工况下，所述主发电机调节参数包括主发电机中间电压，获取所述主发电机中间电压的目标值的步骤包括：

获取机车的性能参数，根据所述性能参数，基于恒功率控制模型确定主发电机中间电压目标值。

根据本发明的一个实施例，根据双燃料控制信号和机车当前档位，确定机车的动力模式。

根据本发明的一个实施例，如果接收到所述双燃料控制信号、且机车当前档位在预设档位以上，则判断所述机车处于双燃料模式，否则判断所述机车处于单燃料模式。

本发明针对双燃料机车的运行需要，提供了在不同工况、不同动力模式下的发动机、牵引电机和主发电机的控制方法。相较于现有的机车机车控制方法无法很好地适用于对双燃料机车的控制需求，本方法通过在单燃料模式和双燃料模式下，分别采用不同的方法来控制双燃料机车，使得对于机车的控制更加合理、完善。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的双燃料机车控制系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的双燃料机车的控制方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的在牵引工况下获取牵引电机力矩的目标值的流程图；

图4是根据本发明一个实施例的在自负荷工况下获取主发电机功率的目标值的流程图；

图5是根据本发明一个实施例的在制动工况下获取牵引电力力矩的目标值的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1示出了本实施例所提供的双燃料机车控制系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的双燃料机车控制系统包括网关(GWM)100、控制装置101、机车显示器(IDU)102和传动控制装置(DCU)103，这些装置通过总线(例如MVB总线)连接。其中，一个双燃料机车控制系统中也可以包含多个IDU 102和/或DCU 103。

控制装置101与机车的发动机104、司机控制台105、机车电气部件106和机车主发电机107连接，用于根据检测到的信号对发动机104和/或主发电机107进行调节控制。机车的牵引电机与DCU 103连接，DCU 103能够根据获得的牵引电机调节参数来实现对牵引电机力矩的调节控制。这样通过对发动机和电机的控制，使得双燃料机车使用不同工况以及不同动力模式下的行驶需求

图2示出了本实施例所提供的控制双燃料机车的方法的流程图。

如图2所示，本实施例中，首先在工况判断步骤S201中，获取机车的运行参数，并根据机车的运行参数判断机车的工况。本实施例中，针对现有机车的实际运行状况，将机车的工况主要分为三种，即牵引工况、自负荷工况和制动工况。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，机车的工况根据实际运行状况，还可以包含其他合理的工况，本发明不限于此。

确定出机车所处的工况后，在步骤S202中根据机车的工况和动力模式，获取发动机和/或电机的调节参数的目标值。本实施例所提供的机车的动力模式包括单燃料模式和双燃料模式，在单燃料模式下采用柴油作为燃料，而在双燃料模式下采用柴油和天然气作为燃料。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，机车在单燃料和双燃料下还可以采用其他合理能源作为燃料，例如在单燃料模式下采用汽油作为燃料，而在双燃料模式下采用汽油和天然气作为燃料，本发明不限于此。

在步骤S203中，获取发动机和/或电机的调节参数的实际值，并在步骤S204中根据发动机和/或电机的调节参数的实际值和目标值，分别调节发动机和/或电机的运行状态。

本实施例中，以调节参数的目标值作为基准，采用PID调节方式来调节发动机和/或电机的调节参数的实际值，从而实现对发动机和/或电机的调节。当然，在本发明的其他实施例中，也可以根据调节参数的目标值和实际值，采用其他合理方式来对发动机和/或电机进行调节，本发明不限于此。

为了更加清楚地阐述本发明的目的、原理以及优点，以下以对包含有发动机、牵引电机和主发电机的机车进行控制为例来作进一步的说明。

本实施例中，发动机的调节参数为发动机负载反馈。对于不同的动力模式，发动机负载反馈的获取方式是不同的，所以在对发动机负载反馈进行调节时，需要首先确定机车的动力模式。

其中，本实施例所提供的方法根据双燃料控制信号和机车当前档位来确定机车的动力模式。具体地，如果接收到双燃料控制信号、且机车当前档位在预设档位以上，则判断机车处于双燃料模式，否则判断机车处于单燃料模式。本实施例中，根据机车的实际参数，将预设档位设定在三档。当然，在本发明的其他实施例中，预设档位还可以为其他合理档位，本发明不限于此。

如果机车处于单燃料模式(例如纯柴油模式)，那么获取机车的当前油门位置信息，将当前油门位置信息作为发动机负载反馈的实际值。而在双燃料模式下，机车的发动机的功率输出由天然气和柴油共同消耗提供，每一档位固定消耗一定比例的柴油，而功率调节以天然气部分为主。所以如果机车处于双燃料模式，那么获取发动机的当前喷气量信息(本实施例中，发动机的当前喷气量信息由发动机控制箱发出)，将该喷气量信息作为发动机负载反馈的实际值。

在不同的动力模式下，发动机负载反馈的目标值可以根据机车当前档位确定。所以通过将发动机负载反馈的实际值调节至接近于或等于发动机负载反馈的目标值，来完成对发动机的调节。本实施例中，对发动机调节完成后，可以实现在发动机每档转速稳定后，发动机负载反馈的实际值与发动机负载反馈的目标值的差值需要保持在由第一预设差值阈值和第二预设差值阈值所构成的范围内。

本实施例中，根据机车的实际参数，将第一预设差值阈值设为0.05％，将第二预设差值阈值设为-0.05％。如果发动机负载反馈的实际值与目标值的差值大于第一预设差值阈值，则判断此时发动机过载；如果发动机负载反馈的实际值与目标值的差值小于第二预设差值阈值，则判断此时发动机欠载。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一预设差值阈值和第二预设差值阈值还取为其他合理的数值，本发明不限于此。

本实施例中，当机车处于不同的工况下时，牵引电机和主发电机的调节参数是不同的，相应地，获取调节参数的目标值的方法也是不同的。以下对在不同工况下如何获取牵引电机和主发电机的调节参数的目标值作进一步的说明。

本实施例中，在牵引工况下，牵引电机的调节参数为牵引电机力矩，而图3则示出了本实施例所提供的方法在牵引工况下获取牵引电力力矩的目标值的流程图。

如图3所示，本实施例首先在步骤S301中获取发动机转速的实际值，随后以在步骤S302中将发动机转速的实际值代入第一预设转速功率模型，确定出第一轮周功率的目标值。

在步骤S303中，获取功率调节系数。本实施例中，当机车处于不同的动力模式下时，功率调节系数的获取方式也是不同的。具体地，当机车处于单燃料模式时，通过获取机车的油门位置信号获取到发动机负载反馈的目标值，并将该发动机负载反馈的目标值与获取的发动机负载反馈的实际值输入到预设的PID闭环调节模块，从而得到功率调节系数；当机车处于双燃料模式时，通过获取发动机的喷气量信号得到此时的发动机负载反馈的目标值，并将该发动机负载反馈的目标值与获取的发动机负载反馈的实际值输入到预设的PID闭环调节模块，从而得到功率调节系数。

得到功率调节系数后，在步骤S304中，将该功率调节系数与第一轮周功率的目标值进行相关计算，从而得到第二轮周功率的目标值。

在步骤S305中，获取机车速度和机车当前档位，并根据机车当前档位得到机车当前档位的最大牵引力。最后在步骤S306中，将机车速度、机车当前档位的最大牵引力和第二轮周功率的目标值代入预设的轮周牵引模型，从而得到在牵引工况下的牵引电机力矩的目标值。

由此可以看出，在牵引工况下，当机车处于不同的动力模式下时，相应地根据不同的方式来确定功率调节系数。相较于现有的控制方法，本方法的这种控制方式能够更加适应对双燃料机车的控制，从而得到更好的控制效果。

本实施例中，在牵引工况下，主发电机的调节参数为主发电机中间电压。其中，根据机车当前档位，可以确定出主发电机中间电压的目标值。而此时在对主发电机进行控制时，通过将主发电机中间电压的目标值以及检测到的主发电机中间电压的实际值代入预设的PID调节模块，即可得到相应的PWM波，而该PWM波能够调节主发电机的励磁，从而达到调节主发电机功率的目的。

由于当机车处于自负荷工况时，牵引电机不需要输出力矩，所以此时不对牵引电机进行调节。

当机车处于自负荷工况时，主发电机的调节参数包括主发电机中间电压和主发电机功率。图4示出了自负荷工况下获取主发电机中间电压的目标值和主发电机功率的目标值的流程图

如图4所示，本实施例首先在步骤S401中获取发动机转速的实际值。随后在步骤S402中利用该发动机转速的实际值，根据第二预设转速功率模型，计算得到第一功率的目标值和主发电机中间电压的目标值。

在步骤S403中，获取功率调节系数，其原理以及过程与图3中步骤S303所示的相同，在此不再赘述。

得到第一功率的目标值和功率调节系数后，在步骤S404中，将第一功率的目标值与功率调节系数进行相关计算，得到第二功率的目标值，而该第二功率的目标值即为主发电机功率的目标值。

本实施例中，在自负荷工况下对主发电机进行调节时，将主发电机功率的目标值和中间电压的目标值一同带入预设的PID调节模块，通过控制相应的硬件输出通道来输出所需要的PWM波，进而调节主发电机的励磁，从而达到调节主发电机的目的。

在制动工况下，牵引电动机的调节参数包括牵引电动机力矩，主发电机的调节参数包括主发电机中间电压。图5示出了在制动工况下获取牵引电机力矩的目标值的流程图。

如图5所示，在本实施例中，首先在步骤S501中获取机车的性能参数。由于机车的性能参数固定后，其轮周制动功率也就固定了。所以在步骤S502中，根据机车的性能参数，即可确定出机车的轮周制动功率。

在步骤S503中，获取机车当前档位，并根据机车当前档位确定对应于机车当前档位的最大制动力。最后在步骤S504中获取机车速度，并将机车速度、机车当前档位的最大制动力和机车的轮周制动功率带入预设轮周制动模型，从而确定出此时牵引电机力矩(即制动力矩)的目标值。

而在制动工况下对主发电机进行调节时，首先获取整车的性能参数。由于本实施例中在制动工况下对主发电机采用恒功率控制，所以根据整车的性能参数可以计算出固定的中间电压的目标值。而此时在对主发电机进行控制时，通过将主发电机中间电压的目标值以及检测到的主发电机中间电压的实际值代入预设的PID调节模块，即可得到相应的PWM波，而该PWM波能够调节主发电机的励磁，从而达到调节主发电机功率的目的。

从上述描述中可以看出，本发明针对双燃料机车的运行需要，提供了在不同工况、不同动力模式下的发动机、牵引电机和主发电机的控制方法。相较于现有的机车机车控制方法无法很好地适用于对双燃料机车的控制需求，本方法通过在单燃料模式和双燃料模式下，分别采用不同的方法来控制双燃料机车，使得对于机车的控制更加合理、完善。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

为了方便，在此使用的多个项目、结构单元、组成单元和/或材料可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (14)

1.一种控制双燃料机车的方法，其特征在于，所述方法包括：

工况判断步骤，根据机车的运行参数判断所述机车的工况；

目标值确定步骤，基于所述机车的工况和动力模式，分别获取发动机和/或电机的调节参数的目标值；

调节步骤，获取发动机和/或电机的调节参数的实际值，分别结合所述发动机和/或电机的调节参数的目标值，对所述发动机和/或电机的运行状态进行调节。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工况包括牵引工况、制动工况和自负荷工况，所述动力模式包括单燃料模式和双燃料模式。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，发动机的调节参数包括发动机负载反馈。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

如果所述机车处于单燃料模式，则获取机车的当前油门位置信息，作为所述发动机负载反馈的实际值；

如果所述机车处于双燃料模式，则获取发动机的当前喷气量信息，作为所述发动机负载反馈的实际值。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述方法还根据所述发动机负载反馈的实际值和目标值，确定所述发动机的状态，其中，

如果所述发动机负载反馈的实际值与目标值的差值大于第一预设差值阈值，则判断发动机过载；

如果所述发动机负载反馈的实际值与目标值的差值小于第二预设差值阈值，则判断发动机欠载。

6.如权利要求2～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述电机包括牵引电动机和/或主发电机。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述牵引工况下，牵引电动机的调节参数包括牵引电动机力矩，获取所述牵引电机力矩的目标值的步骤包括：

获取发动机转速实际值，根据第一预设转速功率模型，确定第一轮周功率的目标值；

获取功率调节系数，根据所述第一轮周功率的目标值和功率调节系数，获取第二轮周功率的目标值；

获取机车速度和机车当前档位的最大牵引力，结合所述第二轮周功率的目标值，根据预设轮周牵引力模型，确定所述牵引电机力矩的目标值。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述牵引工况下，主发电的调节参数包括主发电机中间电压，其中，根据机车当前档位，确定主发电机中间电压的目标值。

9.如权利要求6～8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述自负荷工况下，所述主发电机的调节参数包括主发电机中间电压和主发电机功率，获取主发电机调节参数的目标值的步骤包括：

获取发动机转速的实际值，根据第二预设转速功率模型，确定第一功率的目标值和主发电机中间电压的目标值；

获取功率调节系数，根据所述第一功率的目标值和功率调节系数，获取第二功率的目标值，作为主发电机功率的目标值。

10.如权利要求7或9所述的方法，其特征在于，获取功率调节系数的步骤包括：

根据机车的动力模式，计算机车当前档位下的发动机负载反馈的基准值；

获取发动机负载反馈的实际值，并结合所述发动机负载反馈的基准值，确定功率调节系数。

11.如权利要求6～10中任一项所述的方法，其特征在于，在所述制动工况下，牵引电动机的调节参数包括牵引电动机力矩，获取所述牵引电机力矩的目标值的步骤包括：

获取机车的性能参数，根据所述机车的性能参数，计算轮周制动功率；

获取机车速度和机车当前档位的最大制动力，结合所述轮周制动功率，根据预设轮周制动模型，确定所述牵引电机力矩的目标值。

12.如权利要求6～11中任一项所述的方法，其特征在于，在所述制动工况下，所述主发电机调节参数包括主发电机中间电压，获取所述主发电机中间电压的目标值的步骤包括：

获取机车的性能参数，根据所述性能参数，基于恒功率控制模型确定主发电机中间电压目标值。

13.如权利要求1～12中任一项所述的方法，其特征在于，根据双燃料控制信号和机车当前档位，确定机车的动力模式。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，如果接收到所述双燃料控制信号、且机车当前档位在预设档位以上，则判断所述机车处于双燃料模式，否则判断所述机车处于单燃料模式。