CN105089833B - 内燃机车柴油机燃油电子喷射装置、系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机车柴油机燃油电子喷射装置、系统及其控制方法，用于对柴油机进行燃油喷射控制，该装置包括：用于检测曲轴或凸轴位置、转速的传感器；根据传感器输出的曲轴或凸轴的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出电磁阀燃油喷射信号的燃油喷射控制单元；以及对燃油喷射控制单元的输出进行驱动，并向电磁阀输出燃油喷射驱动信号，通过电磁阀对柴油机的单体泵或喷油器进行燃油喷射控制的电磁阀驱动控制单元。本发明能够实现柴油机燃油喷射定时、定量的精确控制，降低燃油消耗率和有害气体排放，同时控制简单、方便、有效，可靠性高。

Description

内燃机车柴油机燃油电子喷射装置、系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通装备领域，尤其是涉及一种广泛应用于内燃机车的柴油机燃油电子喷射装置、系统及其控制方法。

背景技术

内燃机车以内燃机作为原动力，通过传动装置驱动车轮的机车。根据机车上内燃机的种类，可分为柴油机车和燃气轮机车。由于燃气轮机车的效率低于柴油机车以及耐高温材料成本高、噪声大等原因，所以其已经在内燃机车领域淘汰。在我国铁路上采用的内燃机绝大多数是柴油机。采用柴油机的内燃机车工作原理为：燃油（柴油）在气缸内燃烧，将热能转换为由柴油曲轴输出的机械能，但并不用来直接驱动动轮，而是通过传动装置转换为适合机车牵引特性要求的电能，再通过电传动系统驱动机车动轮在轨道上转动。目前，我国运行的内燃机车柴油机的燃油喷射系统主要有两种，一种是基于机械式燃油喷射系统，目前此种系统装车占有率达到90%，而另一种系统是引进国外柴油机，采用国外电子燃油喷射系统，近几年出口内燃机车及引进车型主要采用此种方式。

第一种的机械式燃油喷射系统采用油马达或步进电机调速器、机械泵喷油嘴方式，通过凸轮推动喷油柱塞运动，生产高压，通过油泵齿条、柱塞螺旋线、油泵进回油孔相对于柱塞的位置关系、油泵凸轮角相对于曲轴转角的位置关系等来确定喷油定时和喷油量，这些参数的设计按照柴油机某一工况最优原则确定，在运动过程中不能随时改变。同时，其燃油消耗率高、性能差，严重影响了我国内燃机车性能提升，无法满足节能、环保和内燃机车不断发展的总体要求。国家通过引进HXN3、HXN5内燃机车，但其核心部件柴油机电喷控制器技术不转让，核心技术受制于人。国内汽车行业电喷国产化研究已有一定成果，但无法满足内燃机车普遍要求16缸的驱动能力，只支持8缸以下的驱动，因此无法在内燃机车上使用。因此，机械式燃油喷射系统还存在以下缺陷：

（1）机械式燃油喷射系统在燃油喷射执行器上仍采用喷油泵柱塞位置控制齿条方式，控制精度只能达到1%，无法进一步提升；

（2）机械式燃油喷射系统的燃油喷射压力在25MPa无法有效提高，燃烧质量差；

（3）机械式燃油喷射系统中各零部件存在的间隙造成喷油定时精度不高，各缸喷油定时无法自由调节，影响整体性能；

（4）机械式燃油喷射系统无法实现快速预喷射和多次喷射，对有害气体排放的控制仍然有限；

（5）机械式燃油喷射系统对各缸之间的差异无法动态修正，造成柴油机整体性能无法提升。

第二种的电子燃油喷射系统，由于系统引进自国外，其技术不转让，电控控制技术、电喷控制器、电控泵及驱动等核心技术为国外公司所垄断，国内只进行简单的调校。因此，电子燃油喷射系统主要存在以下缺陷：

（1）目前，国内内燃机车普遍使用的12缸、16缸柴油机，其电子燃油喷射系统均引进自国外，外方对电子燃油喷射系统的技术转让严格禁止，只能进行简单调校，性能的发挥受到严重的限制；

（2）国外引进的电子燃油电喷系统普遍采用凸轴位置传感器加曲轴位置传感器方式，柴油机必须安装凸轴齿轮盘和曲轴齿轮盘，当有一个传感器出现故障时系统无法正常运行；

（3）国外电喷系统价格昂贵，使得机车制造成本、维护和更换成本居高不下，限制了内燃机车的使用推广。

因此，综上，如何实时精确识别柴油机各缸运行位置、如何实现对柴油机各缸燃油喷射提前角、喷油量进行精确控制，有效降低柴油机燃油消耗率和有害气体排放，满足内燃机车发展的整体需求，是当前迫切需要解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，能够实现柴油机燃油喷射定时、定量的精确控制，降低燃油消耗率和有害气体排放，同时控制简单、方便、有效，可靠性高。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种内燃机车柴油机燃油电子喷射装置的技术实现方案，内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，用于对柴油机进行燃油喷射控制，包括：

传感器，用于检测曲轴或凸轴的位置、转速；

燃油喷射控制单元，根据所述传感器输出的所述曲轴或凸轴的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出电磁阀燃油喷射信号；

电磁阀驱动控制单元，对所述燃油喷射控制单元的输出进行驱动，并向电磁阀输出燃油喷射驱动信号，通过所述电磁阀对所述柴油机的单体泵或喷油器进行燃油喷射控制。

优选的，所述装置还包括另外一路用于检测所述曲轴位置、转速的传感器，以及分别与两路所述传感器相连的滤波整形单元，两路所述传感器的输出信号经过所述滤波整形单元处理成逻辑可识别的电子信号。

优选的，所述燃油喷射控制单元包括：

电子控制单元，根据所述传感器输出的所述曲轴或凸轴的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出所述柴油机各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间；

执行单元，根据所述电子控制单元的输出信号生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，并输出至所述电磁阀驱动控制单元。

优选的，所述装置还包括逻辑处理单元，通过所述逻辑处理单元对两路传感器的输出信号进行处理，当所述装置包括一路用于检测所述曲轴位置、转速的传感器，以及另一路用于检测所述凸轴位置、转速的传感器时，所述逻辑处理单元对该两路传感器的输出信号进行校正后输出至所述电子控制单元。当所述装置包括两路用于检测所述曲轴位置、转速的传感器时，所述逻辑处理单元对该两路传感器的输出信号进行校正，一路曲轴的位置信号分别生成所述曲轴的位置、转速信号和所述凸轴的位置、转速信号输出至所述电子控制单元，另一路所述曲轴的位置、转速信号冗余。当所述电子控制单元检测到故障时，利用该路冗余的曲轴的位置、转速信号分别生成所述曲轴的位置、转速信号和所述凸轴的位置、转速信号输出至所述电子控制单元。

优选的，所述装置还包括信号采集与调理单元，所述信号采集与调理单元对包括冷却水温度、燃油压力、增压气体温度在内的外部信号进行采集和调理，所述电子控制单元根据所述传感器采集到的所述曲轴或凸轴的位置、转速信号，经过所述信号采集与调理单元调理后的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号，以及一个给定的目标转速信号，计算并向所述执行单元输出所述柴油机各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间。

优选的，所述装置还包括安装在所述曲轴或凸轴上的齿轮盘，随着所述柴油机的旋转，所述传感器产生与所述齿轮盘上每个齿的位置对应的脉冲信号。所述凸轴的齿轮盘包括一个凸齿，所述曲轴的齿轮盘包括一个缺齿。在安装所述凸轴或曲轴时，将所述独齿、缺齿与所述柴油机的各个缸上设置的初始点进行定位，从而通过识别所述传感器输出的脉冲波形识别所述曲轴或凸轴的位置。

优选的，所述电子控制单元对所述传感器的输出信号进行监视，使用所述电子控制单元内部的时钟对所述传感器的输出信号进行记数，当记数达到所述曲轴的齿轮盘的齿数时，且所述计数的脉冲周期满足两倍的正常脉冲周期后，则判定正确识别一个曲轴的运行周期，所述记数清零，重新开始监视下一个所述曲轴的运行周期。将所述电子控制单元内部的时钟周期至少细分成所述传感器的输出信号脉冲周期的两百分之一。

优选的，所述装置还包括电流驱动单元，所述电磁阀驱动控制单元根据所述执行单元输出的电磁阀燃油喷射信号在输出正端产生各缸的燃油喷射驱动信号，生成电磁阀驱动所需的大电流及保持时的保持电流，所述电磁阀驱动控制单元的输出负端产生缸选驱动信号，实现所述电磁阀电磁电流的流通与续流，所述电磁阀驱动控制单元的输出信号再经过所述电流驱动单元进行电流驱动后控制所述电磁阀。

优选的，所述电子控制单元包括转速控制单元、燃油量限制数据表、燃油喷射时间数据表、燃油喷射时间控制单元、转速计算单元和启动喷油数据表。所述转速控制单元根据给定的目标转速信号，以及来自于所述转速计算单元检测到的所述柴油机的转速信号，经过计算得到预计燃油喷射量。所述燃油量限制数据表根据预计燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，经过查找表得到需要的燃油喷射量。所述燃油喷射时间数据表根据需要的燃油喷射量，经过查找表得到所述柴油机在正常阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。所述启动喷油数据表根据需要的燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，经过查找表得到所述柴油机在启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。所述燃油喷射时间控制单元根据包括曲轴或凸轴的位置、转速在内的所述柴油机当前的运行状态，以及点火顺序状态，将所述柴油机各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、正常阶段和启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间输出至所述执行单元生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，经所述电磁阀驱动控制单元后生成所述单体泵或喷油器的燃油喷射信号，为所述柴油机喷射相应的燃油量，实现所述柴油机转速的精确控制和动态调节。

本发明还另外具体提供了一种内燃机车柴油机燃油电子喷射系统的技术实现方案，内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，包括：

如上所述的柴油机燃油电子喷射装置、与所述装置中传感器相连的曲轴和/或凸轴、与所述装置中电磁阀驱动控制单元相连的电磁阀，以及与所述电磁阀相连的单体泵或喷油器。

本发明还另外具体提供了一种内燃机车柴油机燃油电子喷射装置控制方法的技术实现方案，用于对柴油机进行燃油喷射控制，该方法包括以下步骤：

S10：检测一路曲轴或凸轴的位置、转速信号；

S20：根据所述曲轴或凸轴的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算电磁阀燃油喷射信号；

S30：根据所述电磁阀燃油喷射信号向电磁阀输出燃油喷射驱动信号，通过所述电磁阀对柴油机的单体泵或喷油器进行燃油喷射控制。

优选的，所述步骤S20进一步包括：

根据所述曲轴或凸轴的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出所述柴油机各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间；

根据所述柴油机各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间生成并输出各缸的电磁阀燃油喷射信号。

优选的，所述步骤S10进一步包括：

检测同一曲轴不同位置的另一路位置、转速信号，对两路所述位置、转速信号进行滤波整形后处理成逻辑可识别的电子信号。

优选的，所述步骤S10进一步包括：

对两路经过滤波整形后的位置、转速信号进行处理，当存在一路所述曲轴的位置、转速信号，以及一路凸轴的位置、转速信号时，对该两路位置、转速信号进行校正。当存在两路所述曲轴的位置、转速信号时，对该两路位置、转速信号进行校正，一路曲轴的位置、转速信号分别生成所述曲轴的位置、转速信号和所述凸轴的位置、转速信号，另一路所述曲轴的位置、转速信号冗余。

优选的，所述步骤S20进一步包括：

采集来自于所述柴油机的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号并进行调理，根据所述曲轴或凸轴的位置、转速信号，经过调理后的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号，以及一个给定的目标转速信号，计算出所述柴油机各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间信号。

优选的，所述步骤S20进一步包括：

根据给定的目标转速信号，以及来自于所述柴油机的转速信号，经过计算得到预计燃油喷射量。根据预计燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，查找燃油量限制数据表得到需要的燃油喷射量。根据需要的燃油喷射量，查找燃油喷射时间数据表得到所述柴油机在正常阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。根据需要的燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，查找启动喷油数据表得到所述柴油机在启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。根据包括曲轴或凸轴的位置、转速在内的所述柴油机当前的运行状态，以及点火顺序状态，输出所述柴油机各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、正常阶段和启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间，并生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，经驱动和处理后生成所述单体泵或喷油器的燃油喷射信号，为所述柴油机喷射相应的燃油量，实现所述柴油机转速的精确控制和动态调节。

通过实施上述本发明提供的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置、系统及其控制方法，具有如下技术效果：

（1）本发明能够有效地实现柴油机喷油定时、喷油量的精确控制和动态调节，有效提高柴油机燃油燃烧质量，降低了柴油机的燃油消耗率，降低了有害气体的排放，很好的满足了节能环保的要求；

（2）本发明打破了国外公司的技术垄断，摆脱了国内内燃机车核心技术受制于人的局面，能够有效地降低内燃机车的制造、维护和更换成本，便于先进内燃机车的设计制造和大批量推广应用。

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使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的具体实施例。

图1是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射系统一种具体实施方式的结构组成框图；

图2是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式的硬件结构框图；

图3是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式的结构组成示意图；

图4是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中的信号波形示意图；

图5是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中单体泵或喷油器电气控制部分的结构示意图；

图6是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中曲轴上的齿轮盘及缺齿位置的结构示意图；

图7是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中凸轴上的齿轮盘及独齿位置的结构示意图；

图8是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中电磁阀控制部分的电气连接结构示意图；

图9是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中燃油电子喷射控制部分的系统结构框图；

图10是本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中电子控制单元的电气接口示意图；

图中：1-柴油机，2-柴油机燃油电子喷射装置，3-单体泵或喷油器，4-电磁阀，5-传感器，6-滤波整形单元，7-逻辑处理单元，8-燃油喷射控制单元，9-信号采集与调理单元，10-电子控制单元，11-执行单元，12-电磁阀驱动控制单元，13-曲轴，14-凸轴，15-电流驱动单元，16-转速控制单元，17-燃油量限制数据表，18-燃油喷射时间数据表，19-燃油喷射时间控制单元，20-转速计算单元，21-启动喷油数据表，22-齿轮盘。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列的简称；

CAN：Controller Area Network，控制器局域网络的简称；

Ethernet：以太网，一种计算机局域网组网技术；

PID：Proportional-Integral-Derivative，比例-积分-微分控制的简称；

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管的简称；

PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制的简称；

RS232：一种计算机串行接口；

RS285：一种计算机串行接口；

Modbus：一种串行通信协议；

Profibus：一种用于自动化技术的现场总线标准。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图10所示，给出了本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置、系统及其控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，一种内燃机车柴油机燃油电子喷射系统的具体实施例，包括柴油机燃油电子喷射装置2、与装置中传感器5相连的曲轴13和/或凸轴14、与装置中电磁阀驱动控制单元12相连的电磁阀，以及与电磁阀相连的单体泵或喷油器3。柴油机燃油电子喷射系统通过柴油机燃油电子喷射装置2控制柴油机1的单体泵或喷油器3，实现对柴油机1的燃油喷射控制。

如附图2所示，一种内燃机车柴油机燃油电子喷射装置的具体实施例，用于对柴油机1进行燃油喷射控制，该装置包括：

传感器5，用于检测曲轴13或凸轴14的位置、转速；

燃油喷射控制单元8，根据传感器5输出的曲轴13或凸轴14的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出电磁阀燃油喷射信号；

电磁阀驱动控制单元12，对燃油喷射控制单元8的输出进行驱动，并向电磁阀4输出燃油喷射驱动信号，通过传感器5检测曲轴13或凸轴14的位置，即可得到柴油机1各缸的具体运动位置。电磁阀4对柴油机1的单体泵或喷油器3进行燃油喷射控制。

柴油机1通常包括多个缸，每个缸都具有独立的活塞、气门和用于实现燃油喷射的单体泵或喷油器3。其中，凸轴14（又称为凸轮轴）是柴油机1中的一个重要部件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。曲轴13是往复式活塞引擎中，将活塞直线往复运动的动能转化为旋转动能的重要部件。柴油机1工作时，凸轴14、曲轴13同步旋转，凸轴14每旋转一周曲轴13旋转两周。通过检测曲轴13或凸轴14的位置，就能够得到各缸的运行状态。单体泵是第二代电喷系统部件，而喷油器是第三代电喷系统部件，因此本发明具体实施例可以同时满足单体泵和喷油器两代电喷系统的要求。

作为本发明一种较佳的具体实施例，装置还进一步包括另外一路用于检测同一曲轴13不同位置的转速和位置信号的传感器5，以及分别与两路传感器5相连的滤波整形单元6，两路传感器5的输出信号经过滤波整形单元6处理成逻辑可识别的电子信号。这使得本发明具体实施例无论在单个曲轴13、单个凸轴14、或是曲轴13+凸轴14，以及双曲轴13的情况下都可以正常工作。由于制造工艺、传感器5的性能、信号干扰等差异，传感器5的输出信号需要经过滤波整形单元6进行处理，将传感器5的输出信号整理成逻辑处理单元7可识别的电子信号，提高了识别的可靠性。燃油喷射控制单元8还进一步包括：

电子控制单元10，根据传感器5输出的曲轴13或凸轴14的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出柴油机1各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间；

执行单元11，根据电子控制单元10的输出信号生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，并输出至电磁阀驱动控制单元12。

如附图2所示，本发明具体实施例描述的燃油电子喷射装置还进一步包括信号采集与调理单元9，信号采集与调理单元9对包括冷却水温度、燃油压力、增压气体温度在内的外部信号进行采集和调理，电子控制单元10根据所述传感器5采集到的曲轴13或凸轴14的位置、转速信号，经过信号采集与调理单元9调理后的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号，以及一个给定的目标转速信号，计算并向执行单元11输出柴油机1各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间。在本发明具体实施例中，只有传感器5检测的曲轴13或凸轴14的位置、转速信息是必须的，冷却水温、燃油压力、增压气体温度等信息只是能够使得综合考虑的因素更多、控制更加合理、更加精确。

如附图3所示，装置还进一步包括安装在曲轴13或凸轴14上的齿轮盘22和传感探头，齿轮盘22的大小、齿数、齿距、齿高与传感探头的参数相匹配。随着柴油机1的旋转，带动齿轮盘22的转动，传感器5产生与齿轮盘22上每个齿的前后位置一一对应的高低电平脉冲信号。曲轴13的齿轮盘22包括一个缺齿，如附图6中A部分所示。凸轴14的齿轮盘22包括一个凸齿，如附图7中B部分所示。在安装曲轴13或凸轴14时，将独齿、缺齿与柴油机1的各个缸上设置的初始点进行定位，从而通过识别传感器5输出的脉冲波形识别曲轴13或凸轴14的位置，并得到各个缸的位置。这样形成的传感器5的输出信号波形与曲轴13的位置关系具有唯一的对应关系，正确识别传感器5的输出波形中缺脉冲位置、脉冲上升或下降沿，即可正确判别曲轴13的位置，从而实现曲轴13的位置确定。

作为本发明一种较佳的具体实施例，为了使系统对安装凸轴、曲轴传感器和安装2个曲轴传感器两种柴油机都可以可靠工作，通过FPGA对两路传感器5的输出信号进行处理。柴油机燃油电子喷射装置还进一步包括逻辑处理单元7，通过逻辑处理单元7对两路传感器5的输出信号进行处理，当装置包括一路用于检测曲轴13位置、转速的传感器5，以及另一路用于检测凸轴14位置、转速的传感器5时，逻辑处理单元7对该两路传感器5的输出信号进行校正后输出至电子控制单元10。由于在一个凸轴14周期内有两个曲轴13周期，因此只生成曲轴13的信号，无法判断出各缸的上止点位置。在这种情况下，在柴油机1开始工作时，先按照曲轴13的周期预判断相应缸的上止点位置，并按照该预判断值进行燃油喷射，同时检测柴油机1的转速信号，如果转速提高，则判断该值为该缸的上止点位置，同时锁定该值；如果检测到柴油机1的转速未提高，则判断上止点位置出现在下一个曲轴13周期内，同时锁定下一个曲轴13周期的上止点位置值，由此间接得到凸轴14的位置、转速信号。作为本发明一种典型的具体实施例，逻辑处理单元7进一步采用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列的简称）。当然，逻辑处理单元7也可以采用CPLD（Complex ProgrammableLogic Device，复杂可编程逻辑器件）等。当装置包括两路用于检测曲轴13位置的传感器5时，逻辑处理单元7对该两路传感器5的输出信号进行校正，一路曲轴13的位置、转速信号分别生成曲轴13的位置、转速信号和凸轴14的位置、转速信号输出至电子控制单元10，另一路曲轴13的位置、转速信号冗余。当电子控制单元10检测到故障时，利用该路冗余的曲轴13的位置、转速信号分别生成曲轴13的位置、转速信号和凸轴14的位置、转速信号输出至电子控制单元10。通过采用曲轴13定位冗余设计，能够极大地提高系统的可靠性和抗干扰能力。

如附图4所示，电子控制单元10对传感器5的输出信号进行监视，使用电子控制单元10内部的时钟TCK2对该传感器5的输出信号进行记数，当记数达到曲轴13的齿轮盘的齿数NUM_OF_TEETH时，且计数的脉冲周期满足两倍的正常脉冲周期后，则判定正确识别一个曲轴13的运行周期，记数清零，重新开始监视下一个曲轴13的运行周期。为了提高曲轴13位置的定位精度，将电子控制单元10内部的时钟周期至少细分成传感器5的输出信号（曲轴13的位置、转速信号）脉冲周期的两百分之一。作为本发明一种更佳的具体实施例，将每一脉冲周期细分1000倍，这样就可以将定位识别精度提高1000倍，以120齿盘缺一齿的齿轮盘22为例，其定时精度可达0.003度。这样的设计使得在设定好各缸的上止点位置、燃油喷射提前角和燃油喷射角度、以及电磁阀打开所需角度后，执行单元11可以根据电子控制单元10输出的角度信息自动生成各缸所需的燃油喷射驱动脉冲。本发明具体实施例在各缸的燃油喷射提前角之前的位置产生中断信号，来实时更新柴油机1各缸所需的燃油喷射提前角、燃油喷射量，以此提高系统的响应性能。

如附图5和附图8所示，本发明内燃机车柴油机燃油喷射装置的驱动电路部分采用正负双端驱动方式。装置还进一步包括电流驱动单元15，电磁阀驱动控制单元12根据执行单元11输出的电磁阀燃油喷射信号在输出正端产生各缸的燃油喷射驱动信号，生成电磁阀4驱动所需的大电流及保持时的保持电流。电磁阀驱动控制单元12根据执行单元11输出的点火顺序信息在输出负端产生缸选驱动信号，实现电磁阀4电磁电流的流通与续流，电磁阀驱动控制单元12的输出信号再经过电流驱动单元15进行电流驱动后控制电磁阀4。本发明具体实施例的技术方案能够支持具有20缸及以下柴油机1的燃油喷射控制能力，驱动能力满足20A以内的需求。同时，通过双端驱动的方式来提高驱动电路故障时电磁阀4的关断保护能力，无论哪一端出现故障，均可通过关断另一边的方式使电磁阀4无法得电，这样能够有效防止硬件故障造成的飞车及敲缸现象。

如附图9所示，电子控制单元10还进一步包括转速控制单元16、燃油量限制数据表17、燃油喷射时间数据表18、燃油喷射时间控制单元19、转速计算单元20和启动喷油数据表21。在本发明的具体实施例中，燃油量限制数据表17、燃油喷射时间数据表18和启动喷油数据表21中均预设有控制数据列表，燃油量限制数据表17、燃油喷射时间数据表18和启动喷油数据表21均可以根据各自的输入信号，再通过查找表的方式得到相应的输出信号，控制数据列表根据大量的实际应用经验和数据获得，并以实现内燃机车柴油机燃油喷射的最优化控制为前提。电子控制单元10根据4～20mA模拟输入信号确定柴油机1给定的目标转速值，转速计算单元20检测曲轴13位置的传感器5的输出信号计算柴油机1的实际转速。转速控制单元16根据给定的目标转速信号，以及来自于转速计算单元20检测到的柴油机1的转速信号，经过PID计算得到预计燃油喷射量。燃油量限制数据表（MAP，即图表）17根据预计燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，经过查找表得到需要的燃油喷射量。燃油喷射时间数据表（MAP，即图表）18根据需要的燃油喷射量，经过查找表得到柴油机1在正常阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。启动喷油数据表（MAP，即图表）21根据需要的燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，经过查找表得到柴油机1在启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。因为启动阶段和正常阶段两个阶段对应的时间表相差较大，所以要根据不同阶段查找不同的时间表。燃油喷射时间控制单元19根据包括曲轴13或凸轴14的位置、转速在内的柴油机1当前的运行状态，以及点火顺序状态，将柴油机1各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、正常阶段和启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间输出至执行单元11生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，经电磁阀驱动控制单元12后生成单体泵或喷油器3的燃油喷射信号，为柴油机1喷射相应的燃油量，实现柴油机1转速的精确控制和动态调节。在本发明具体实施例中，执行单元11接收到的都是角度信息，需要的燃油喷射量根据柴油机1的实际运行转速、给定的目标转速、冷却水温度、燃油压力、增压气体温度等计算出后，再转换成需要执行的角度信息发送至执行单元11。在本发明具体实施例中，当电子控制单元10的检测信号仅包括必须的曲轴13或凸轴14的位置、转速信息时，在燃油量限制数据表17、燃油喷射时间数据表18和启动喷油数据表21中的查找表条件中去除冷却水温度、燃油压力、增压气体温度等条件的信息，只根据转速信息进行查找表即可。

如附图10所示，为本发明内燃机车柴油机燃油电子喷射装置一种具体实施方式中电子控制单元10的电气接口示意图。作为本发明一种典型的具体实施例，其中，A1为24V电源，A2为12路数字量输入量，A3为2路备用频率量，A4为3路电流输入，A5为3路转速输入，A6为8路压力输入，A7为10路温度输入，B1为4路开关量输出，B2为2路模拟量输出，B3为2路电流源输出，B4为20路电磁阀燃油喷射信号，C1为调试诊断接口，C2为上位机系统CAN总线接口。

本发明具体实施例描述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置通过采集冷却水温度、燃油压力、增压气体温度和柴油机1的转速等信号，实现柴油机燃油电子喷射装置2对柴油机1的管理功能，使得柴油机1始终处于在最佳工作状态。其中，通过一路4～20mA的电流输入接口实现柴油机1目标转速的给定设置及动态调整，通过对曲轴13等转速的采集以获得柴油机1实际状态的监视。柴油机燃油电子喷射装置2的内部还设计有故障存储单元，对柴油机1的各部件运行状态、故障信息进行记录，以便设计及维护人员方便检修。本发明具体实施例还可以通过CAN接口实现与外部部件的实时通信功能，并通过以太网（Ethernet）接口进行设计调试、MAP表维护和状态监视等。

一种内燃机车柴油机燃油电子喷射控制方法的具体实施例，用于对柴油机1进行燃油喷射控制，包括以下步骤：

S10：检测一路曲轴13或凸轴14的位置、转速信号；

S20：根据曲轴13或凸轴14的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算电磁阀燃油喷射信号；

S30：根据电磁阀燃油喷射信号向电磁阀4输出燃油喷射驱动信号，通过电磁阀4对柴油机1的单体泵或喷油器3进行燃油喷射控制。

作为本发明一种更佳的具体实施例，步骤S20进一步包括：

根据曲轴13或凸轴14的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出柴油机1各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间；

根据柴油机1各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间生成并输出各缸的电磁阀燃油喷射信号。

作为本发明一种更佳的具体实施例，步骤S10进一步包括：

检测同一曲轴13不同位置的另一路位置、转速信号，对两路位置、转速信号进行滤波整形后处理成逻辑可识别的电子信号。

作为本发明一种更佳的具体实施例，步骤S10进一步包括：

对两路经过滤波整形后的位置、转速信号输出信号进行处理，当存在一路曲轴13的位置、转速信号，以及一路凸轴14的位置、转速信号时，对该两路位置、转速信号进行校正。当存在两路曲轴13的位置、转速信号时，对该两路位置、转速信号进行校正，一路曲轴13的位置、转速信号分别生成曲轴13的位置、转速信号和凸轴14的位置、转速信号，另一路曲轴13的位置、转速信号冗余。

作为本发明一种更佳的具体实施例，步骤S20进一步包括：

采集来自于柴油机1的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号并进行调理，根据曲轴13或凸轴14的位置、转速信号，经过调理后的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号，以及一个给定的目标转速信号，计算出柴油机1各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间。

作为本发明一种更佳的具体实施例，步骤S20进一步包括：

根据给定的目标转速信号，以及来自于柴油机1的转速信号，经过PID计算得到预计燃油喷射量。根据预计燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，查找燃油量限制数据表得到需要的燃油喷射量。根据需要的燃油喷射量，查找燃油喷射时间数据表得到柴油机1在正常阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。根据需要的燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，查找启动喷油数据表得到柴油机1在启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间。根据包括曲轴13或凸轴14的位置、转速在内的柴油机1当前的运行状态，以及点火顺序状态，输出柴油机1各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、正常阶段和启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间，并生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，经驱动和处理后生成单体泵或喷油器3的燃油喷射信号，为柴油机1喷射相应的燃油量，实现柴油机1转速的精确控制和动态调节。

通过采用本发明具体实施例描述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置、系统及其控制方法的技术方案，能够达到以下技术效果：

（1）本发明具体实施例无论在单凸轴、单曲轴、凸轴+曲轴还是曲轴+曲轴情况下都可以正常工作，双曲轴位置传感器冗余设计方式可以有效提高系统的安全性和可靠性；同时，电磁阀驱动部分通过高低双端驱动，进一步提高了系统的可靠性，避免驱动电路异常造成的柴油机飞车隐患；

（2）本发明具体实施例通过柴油机的曲轴位置的精确定位、柴油机转速的准确测量，实时控制柴油机各缸的单体泵或喷油器，动态合理调整各缸的燃油喷射提前角，能够有效地实现柴油机喷油定时、喷油量的精确控制和动态调节，有效提高柴油机燃油燃烧质量，降低了柴油机的燃油消耗率，降低了有害气体的排放，很好的满足了节能环保的要求；

（3）本发明具体实施例打破了国外公司的技术垄断，摆脱了国内内燃机车核心技术受制于人的局面，能够有效地降低内燃机车的制造、维护和更换成本，便于先进内燃机车的设计制造和大批量推广应用。

（4）本发明具体实施例能够支持20缸的柴油机，具备内燃机车普遍要求的16缸及以上的直接应用能力，将曲轴位置脉冲信号进行细分，能够大幅提高识别精度；柴油机的整机控制管理高度集成，能够将柴油机的转速控制功能与柴油机的运行状态管理综合在一个电子控制单元内，提高了响应速度和控制性能，实现系统功率管理和运行保护；

在本发明的具体实施例中，电子控制单元10和执行单元11可以集成为一个整的燃油喷射控制单元8，也可以是电子控制单元10和执行单元11分别为独立的单元。逻辑处理单元7除了采用FPGA、CPLD等可编程逻辑器件之外，还可以可采用分立的逻辑器件。电子控制单元10可以是中央处理器（CPU）、嵌入式处理器、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、单片机、片上系统（SOC）、可编程逻辑器件，以及本技术领域内所公知的任意其他形式的具有控制、处理功能的器件。电流驱动单元15中的功率器件可以采用晶闸管、IGBT等大功率开关器件进行替换。柴油机的给定转速信号可以由PWM或其他模拟量替换，通信接口可以有RS232、CAN等电路替换。CAN通信接口电路可由RS485、Modbus、Profibus等通信方式替代。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、各种可编程逻辑器件、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或本技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (15)

1.一种内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，用于对柴油机（1）进行燃油喷射控制，其特征在于，包括：

传感器（5），用于检测曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速；

燃油喷射控制单元（8），根据所述传感器（5）输出的所述曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出电磁阀燃油喷射信号；所述燃油喷射控制单元（8）包括电子控制单元（10）和执行单元（11）；

电磁阀驱动控制单元（12），对所述燃油喷射控制单元（8）的输出进行驱动，并向电磁阀（4）输出燃油喷射驱动信号，通过所述电磁阀（4）对所述柴油机（1）的单体泵或喷油器（3）进行燃油喷射控制；

所述电子控制单元（10）包括转速控制单元（16）、燃油量限制数据表（17）、燃油喷射时间数据表（18）、燃油喷射时间控制单元（19）、转速计算单元（20）和启动喷油数据表（21），所述转速控制单元（16）根据给定的目标转速信号，以及来自于所述转速计算单元（20）检测到的所述柴油机（1）的转速信号，经过计算得到预计燃油喷射量；所述燃油量限制数据表（17）根据预计燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，经过查找表得到需要的燃油喷射量；所述燃油喷射时间数据表（18）根据需要的燃油喷射量，经过查找表得到所述柴油机（1）在正常阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间；所述启动喷油数据表（21）根据需要的燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，经过查找表得到所述柴油机（1）在启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间；所述燃油喷射时间控制单元（19）根据包括曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速在内的所述柴油机（1）当前的运行状态，以及点火顺序状态，将所述柴油机（1）各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、正常阶段和启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间输出至所述执行单元（11）生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，经所述电磁阀驱动控制单元（12）后生成所述单体泵或喷油器（3）的燃油喷射信号，为所述柴油机（1）喷射相应的燃油量，实现所述柴油机（1）转速的精确控制和动态调节。

2.根据权利要求1所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，其特征在于：所述装置还包括另外一路用于检测所述曲轴（13）位置、转速的传感器（5），以及分别与两路所述传感器（5）相连的滤波整形单元（6），两路所述传感器（5）的输出信号经过所述滤波整形单元（6）处理成逻辑可识别的电子信号。

3.根据权利要求2所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，其特征在于：

所述电子控制单元（10）根据所述传感器（5）输出的所述曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出所述柴油机（1）各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间；

所述执行单元（11）根据所述电子控制单元（10）的输出信号生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，并输出至所述电磁阀驱动控制单元（12）。

4.根据权利要求3所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，其特征在于：所述装置还包括逻辑处理单元（7），通过所述逻辑处理单元（7）对两路传感器（5）的输出信号进行处理，当所述装置包括一路用于检测所述曲轴（13）位置、转速的传感器（5），以及另一路用于检测所述凸轴（14）位置、转速的传感器（5）时，所述逻辑处理单元（7）对该两路传感器（5）的输出信号进行校正后输出至所述电子控制单元（10）；当所述装置包括两路用于检测所述曲轴（13）位置、转速的传感器（5）时，所述逻辑处理单元（7）对该两路传感器（5）的输出信号进行校正，一路曲轴（13）的位置、转速信号分别生成所述曲轴（13）的位置、转速信号和所述凸轴（14）的位置、转速信号输出至所述电子控制单元（10），另一路所述曲轴（13）的位置、转速信号冗余；当所述电子控制单元（10）检测到故障时，利用该路冗余的曲轴（13）的位置、转速信号分别生成所述曲轴（13）的位置、转速信号和所述凸轴（14）的位置、转速信号输出至所述电子控制单元（10）。

5.根据权利要求3或4所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，其特征在于：所述装置还包括信号采集与调理单元（9），所述信号采集与调理单元（9）对包括冷却水温度、燃油压力、增压气体温度在内的外部信号进行采集和调理，所述电子控制单元（10）根据所述传感器（5）采集到的所述曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速信号，经过所述信号采集与调理单元（9）调理后的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号，以及一个给定的目标转速信号，计算并向所述执行单元（11）输出所述柴油机（1）各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间。

6.根据权利要求5所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，其特征在于：所述装置还包括安装在所述曲轴（13）或凸轴（14）上的齿轮盘（22），随着所述柴油机（1）的旋转，所述传感器（5）产生与所述齿轮盘（22）上每个齿的位置对应的脉冲信号；所述曲轴（13）的齿轮盘（22）包括一个缺齿，所述凸轴（14）的齿轮盘（22）包括一个凸齿；在安装所述曲轴（13）或凸轴（14）时，将所述凸齿、缺齿与所述柴油机（1）的各个缸上设置的初始点进行定位，从而通过识别所述传感器（5）输出的脉冲波形识别所述曲轴（13）或凸轴（14）的位置。

7.根据权利要求6所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，其特征在于：所述电子控制单元（10）对所述传感器（5）的输出信号进行监视，使用所述电子控制单元（10）内部的时钟对所述传感器（5）的输出信号进行记数，当记数达到所述曲轴（13）的齿轮盘的齿数时，且所述计数的脉冲周期满足两倍的正常脉冲周期后，则判定正确识别一个曲轴（13）的运行周期，所述记数清零，重新开始监视下一个所述曲轴（13）的运行周期；将所述电子控制单元（10）内部的时钟周期至少细分成所述传感器（5）的输出信号脉冲周期的两百分之一。

8.根据权利要求3、4、6或7任一项所述的一种内燃机车柴油机燃油电子喷射装置，其特征在于：所述装置还包括电流驱动单元（15），所述电磁阀驱动控制单元（12）根据所述执行单元（11）输出的电磁阀燃油喷射信号在输出正端产生各缸的燃油喷射驱动信号，生成电磁阀（4）驱动所需的大电流及保持时的保持电流，所述电磁阀驱动控制单元（12）的输出负端产生缸选驱动信号，实现所述电磁阀（4）电磁电流的流通与续流，所述电磁阀驱动控制单元（12）的输出信号再经过所述电流驱动单元（15）进行电流驱动后控制所述电磁阀（4）。

9.一种内燃机车柴油机燃油电子喷射系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的柴油机燃油电子喷射装置（2）、与所述装置中传感器（5）相连的曲轴（13）和/或凸轴（14）、与所述装置中电磁阀驱动控制单元（12）相连的电磁阀（4），以及与所述电磁阀（4）相连的单体泵或喷油器（3）。

10.一种基于权利要求1至8任一项所述装置的内燃机车柴油机燃油电子喷射控制方法，用于对柴油机（1）进行燃油喷射控制，其特征在于，包括以下步骤：

S10：检测一路曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速信号；

S20：根据所述曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算电磁阀燃油喷射信号；

S30：根据所述电磁阀燃油喷射信号向电磁阀（4）输出燃油喷射驱动信号，通过所述电磁阀（4）对柴油机（1）的单体泵或喷油器（3）进行燃油喷射控制。

11.根据权利要求10所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射控制方法，其特征在于，所述步骤S20进一步包括：

根据所述曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速信号，以及给定的目标转速信号，计算并输出所述柴油机（1）各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间；

根据所述柴油机（1）各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间生成并输出各缸的电磁阀燃油喷射信号。

12.根据权利要求10或11所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射控制方法，其特征在于，所述步骤S10进一步包括：

检测同一曲轴（13）不同位置的另一路位置、转速信号，对两路所述位置、转速信号进行滤波整形后处理成逻辑可识别的电子信号。

13.根据权利要求12所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射控制方法，其特征在于，所述步骤S10进一步包括：

对两路经过滤波整形后的位置、转速信号进行处理，当存在一路所述曲轴（13）的位置、转速信号，以及一路凸轴（14）的位置、转速信号时，对该两路位置、转速信号进行校正；当存在两路所述曲轴（13）的位置、转速信号时，对该两路位置、转速信号进行校正，一路曲轴（13）的位置、转速信号分别生成所述曲轴（13）的位置、转速信号和所述凸轴（14）的位置、转速信号，另一路所述曲轴（13）的位置、转速信号冗余。

14.根据权利要求10、11或13任一项所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射控制方法，其特征在于，所述步骤S20进一步包括：

采集来自于所述柴油机（1）的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号并进行调理，根据所述曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速信号，经过调理后的冷却水温度、燃油压力、增压气体温度信号，以及一个给定的目标转速信号，计算出所述柴油机（1）各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、燃油喷射时间信号。

15.根据权利要求14所述的内燃机车柴油机燃油电子喷射控制方法，其特征在于，所述步骤S20进一步包括：

根据给定的目标转速信号，以及来自于所述柴油机（1）的转速信号，经过计算得到预计燃油喷射量；根据预计燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，查找燃油量限制数据表得到需要的燃油喷射量；根据需要的燃油喷射量，查找燃油喷射时间数据表得到所述柴油机（1）在正常阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间；根据需要的燃油喷射量，结合冷却水温度、燃油压力、增压气体温度，查找启动喷油数据表得到所述柴油机（1）在启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间；根据包括曲轴（13）或凸轴（14）的位置、转速在内的所述柴油机（1）当前的运行状态，以及点火顺序状态，输出所述柴油机（1）各缸的上止点位置、燃油喷射提前角、正常阶段和启动阶段燃油喷射量所对应的燃油喷射时间，并生成各缸的电磁阀燃油喷射信号，经驱动和处理后生成所述单体泵或喷油器（3）的燃油喷射信号，为所述柴油机（1）喷射相应的燃油量，实现所述柴油机（1）转速的精确控制和动态调节。