摘要：以東風4機車為例，分析了目前內燃機車柴油機起動中存在的問題，根據串勵電動機及柴油機起動時的轉速變化規律，提出了用PCC 進行柴油機起動及過程控制，實現機車柴油機的節能和智能起動的方法。
關鍵詞：柴油機；PCC；起動；轉速
Application of PCC to starting control of diesel engine locomotive
WANG Dong , WANG Zhong-wei , Ma Xiu-zhen
(Dept. of Traffic and Transportation Engineering ,Dalian Railway Institute , Dalian 116028, China)
Abstract: To take Dongfeng4 Locomotive for example, it was analyzed the current problems in diesel engines when they were started. Based on the changing rule of rotational speed for motor with series characteristics and diesel engine, it was proposed the method to start diesel engine of locomotive economically and intelligently by PCC and process control.
Key words:diesel engine; programmable computer controller; starting; rotational speed
目前，路內運用的東風4型系列內燃機車均采用串勵電動機由蓄電池供電進行柴油機起動，在起動過程中，由于控制的主觀性、時間繼電器的滯后性等問題，導致柴油機在起動過程中蓄電池虧能大，柴油機燃燒狀態不好。運用PCC (programmable computer controller)技術控制內燃機車柴油機起動，可以減少每次起動時蓄電池的放電量，改變柴油機的燃燒狀態，從而實現柴油機的節能和智能起動。
1 機車柴油機起動的現狀
目前, 在東風4型機車上裝有電動機油泵和燃油泵，在每次起動前需延時45s~60s 供機油和燃油，供機油是為了防止在柴油機停機時間較長時，其各運動部件拉傷，而提供的燃油則是為柴油機點火建立燃油壓力。在供機油過程中，起動滑油泵運轉時間不能過長，否則不利于蓄電池的保養。在起動過程中，起動電機轉動和燃油泵向氣缸內供油為同步控制。油壓建立以前，起動電機不可以停轉。
起動柴油機必須解決3 個問題：（1）燃油的供給；（2）運動部件的潤滑；（3）蓄電池向起動電機供電，Q D 帶動柴油機轉動。在整個起動過程中，對起動電機和噴油泵供油齒條的控制，都是通過起動接觸器（Q C）來實現的。
這種控制方法存在如下缺陷：
a.操縱人員必須通過主觀判斷起動完成與否來控制柴油機起動，每次起動都需要耳聽發火聲，眼睛觀察機油壓力表的變化；
b.向氣缸內供油過早，在柴油機低速轉動時，噴油器的噴油質量很差，將降低氣缸內的溫度，拖延點火轉速，導致起動能量耗高，排煙量大，甚至爆燃；
c. 在柴油機氣缸內已經點火后，蓄電池繼續向起動電機供電，造成蓄電池的放電量大；
d. 如果由于某種原因柴油機不能正常點火，將出現起動接觸器燒死的情況，并且蓄電池虧能增大。
2 柴油機起動過程的編程設計
針對目前柴油機起動過程中的缺陷和不足，可以將其起動過程按時間展開，進行編程控制，采用PCC 實現檢測和控制環節。
柴油機的起動過程大致可分為4 個階段，準備、柴油機被驅動轉動、點火和建立油壓穩定運轉。準備階段主要是預供機油和燃油。東風4型機車采用45s 延時控制燃油泵和機油泵運轉。實現起動前預先向管路供油。根據起動過程的不同階段，結合前面柴油機起動過程中的問題，可逐步解決。
2.1 起動接觸器得電控制
起動接觸器得電與否，應取決于柴油機管路內的油壓狀況。理想的控制應是以滑油壓力和燃油壓力作為控制信號，這樣在首次起動時，如果油壓建立不起來或油管路中存在問題時，將不會起動柴油機。而目前在起動過程中主要是在45s~60s 延時后，由人為觀測滑油壓力表和機油壓表，假定在45s~60s 的延時過程中，油壓一定會建立起來這樣一種假設的情況下，進行Q C 得電控制的，缺乏控制手段。為此，可采用壓力傳感器來提取機油和燃油壓力信號，并將其通過轉換輸入到PCC 中，由PCC 根據設定值判斷和執行QC 的得電控制。
2.2 根據點火時柴油機的轉速進行停止起動電機（QD）運轉的控制
柴油機起動是否成功，關鍵在于柴油機是否能正常點火，作為起動的終止應受控于柴油機發火轉速，如果因為某種原因不能正常起動，則應自動停止起動，以減少蓄電池的放電量和避免起動接觸器燒死。正常情況下，東風4型系列機車柴油機起動時，點火轉速在150r/min 左右，穩定運轉的最低轉速為430r/min。如果采取轉速傳感器測出柴油機的轉速，并將轉速信號輸入到PCC 中，由PCC 判斷和控制QC 的開斷，即控制蓄電池向起動電機供電：（1）可節省蓄電池的電能，有利于蓄電池的保養；（2）電動機由驅動轉動變為柴油機的負載，可降低柴油機起動的轉速沖擊。
2.3 對電磁聯鎖DLS拖后供電控制，實現向氣缸適時噴油
在柴油機起動過程中的低轉速階段向氣缸內供油，由于油溫較低不能達到完全燃燒，同時，又會降低氣缸燃燒時的溫度，造成起動困難，甚至爆燃。因此，可采用對起動接觸器及調速器內D LS 電磁聯鎖線圈進行單獨供電控制。這樣，可使柴油機先轉動，后拉動噴油泵供油齒條，以此來拖后向氣缸內供油。
鑒于當柴油機由起動電機拖動運轉，轉速接近或達到點火轉速時向氣缸內噴油最有利于柴油機點火，因此，DLS 線圈得電與否應取決于柴油機拖動轉速。不同的柴油機或同一柴油機在不同的工作環境和狀態下，其點火轉速是不同的。與點轉速有關的因素主要有氣缸內的溫度、壓力、氧氣含量和燃油的霧化狀態，影響氣缸內溫度的主要因素為油水溫度，所以對DLS 電磁聯鎖線圈的控制可采用溫度傳感器檢測油水溫度來進行控制。
3 柴油機起動過程的PCC控制
從前面的分析中可以得知，在進行起動過程控制時，主要是對柴油機轉速的檢測、機油管路內油壓的檢測、油水溫度的檢測。采用PCC 進行快速運算及判斷，確定點火轉速，對起動接觸器、調速器內DLS線圈等進行實時控制。
3.1 控制電路
圖1為采用PCC 進行柴油機起動控制的接線簡圖。與目前的控制方法相比， 減少了時間繼電器（1SJ），由PCC 內部的軟繼電器來實現，增加了轉速傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。該電路實現了起延時控制，蓄電池供電控制、供油齒條控制以及油壓保護電路與起動電路的分離。
圖l 柴油機起動PCC 控制接線簡
3.2 起動流程圖
圖2 啟動流程圖
3.3 點火轉速的確定
柴油機起動過程是否點火，可以采用轉矩隨轉速的變化而定，東風4型機車阻力特性實驗實側的運動阻力轉矩、電機驅動轉矩、加速轉矩與電機轉速的關系如圖3 所示。
由柴油機起動系統的運動方程：
圖3 空點火前后啟動轉矩、阻力轉矩、加速轉矩的變化曲線
式中：Ms：起動電機的電磁轉矩，Nm；
Me：歸算到起動電機的柴油機阻力轉矩，Nm；
GD2 ：歸算到起動電機的柴油機阻力轉矩，kg㎡。
當柴油機拖動轉加速后，dMa / dn ，將由負值向正值逐步變化。當dMa / dn＝O 其轉速即為點火轉速。
經實際測試計算，東鳳4系列機車柴油機起動時點火轉速不會超過15Or / min 。由此可選定15Or/min 為其點火轉速。
4 結束語
經試驗仿真測試，發現新的控制方法與原有的技術相比，可降低柴油機起動過程中的轉速沖擊，排煙量減少，并且達到蓄電池節能的目的。在新方法中減少了人工長期按位IQA 這一操作。
隨著技術進步，已出廠機車和新造機車都需要新的手段來改造和裝備。如（l）機車恒功率控制；(2）電阻制動；(3）機車電氣故障的診斷。都可采用PCC來實現，由于PCC適合工業控制的優點，可以相信，在機車的其它部分也可用PCC 來實現自動控制，PCC 技術的應用將給機車控制帶來新的改觀。
參考文獻
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[3］鐵道部大連機車廠．東風4型內燃機車[M] ．大連：大連理工大學出版社，1994 .
作者：王空冬， 王忠巍，馬修真
（大連鐵道學院 交通運輸工程系， 大連 116028）
