摘要：以東風(fēng)4機車為例，分析了目前內(nèi)燃機車柴油機起動中存在的問題，根據(jù)串勵電動機及柴油機起動時的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，提出了用PCC 進(jìn)行柴油機起動及過程控制，實現(xiàn)機車柴油機的節(jié)能和智能起動的方法。
關(guān)鍵詞：柴油機；PCC；起動；轉(zhuǎn)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(nèi)運用的東風(fēng)4型系列內(nèi)燃機車均采用串勵電動機由蓄電池供電進(jìn)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(dǎo)致柴油機在起動過程中蓄電池虧能大，柴油機燃燒狀態(tài)不好。運用PCC (programmable computer controller)技術(shù)控制內(nèi)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(tài)，從而實現(xiàn)柴油機的節(jié)能和智能起動。
1 機車柴油機起動的現(xiàn)狀
目前, 在東風(fēng)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(zhuǎn)時間不能過長，否則不利于蓄電池的保養(yǎng)。在起動過程中，起動電機轉(zhuǎn)動和燃油泵向氣缸內(nèi)供油為同步控制。油壓建立以前，起動電機不可以停轉(zhuǎn)。
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(zhuǎn)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(xiàn)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(fā)火聲，眼睛觀察機油壓力表的變化；
b.向氣缸內(nèi)供油過早，在柴油機低速轉(zhuǎn)動時，噴油器的噴油質(zhì)量很差，將降低氣缸內(nèi)的溫度，拖延點火轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致起動能量耗高，排煙量大，甚至爆燃；
c. 在柴油機氣缸內(nèi)已經(jīng)點火后，蓄電池繼續(xù)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(xiàn)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(shè)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(jìn)行編程控制，采用PCC 實現(xiàn)檢測和控制環(huán)節(jié)。
柴油機的起動過程大致可分為4 個階段，準(zhǔn)備、柴油機被驅(qū)動轉(zhuǎn)動、點火和建立油壓穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。準(zhǔn)備階段主要是預(yù)供機油和燃油。東風(fēng)4型機車采用45s 延時控制燃油泵和機油泵運轉(zhuǎn)。實現(xiàn)起動前預(yù)先向管路供油。根據(jù)起動過程的不同階段，結(jié)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(yīng)取決于柴油機管路內(nèi)的油壓狀況。理想的控制應(yīng)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(shè)的情況下，進(jìn)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(zhuǎn)換輸入到PCC 中，由PCC 根據(jù)設(shè)定值判斷和執(zhí)行QC 的得電控制。
2.2 根據(jù)點火時柴油機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行停止起動電機（QD）運轉(zhuǎn)的控制
柴油機起動是否成功，關(guān)鍵在于柴油機是否能正常點火，作為起動的終止應(yīng)受控于柴油機發(fā)火轉(zhuǎn)速，如果因為某種原因不能正常起動，則應(yīng)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(fēng)4型系列機車柴油機起動時，點火轉(zhuǎn)速在150r/min 左右，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速為430r/min。如果采取轉(zhuǎn)速傳感器測出柴油機的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)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(jié)省蓄電池的電能，有利于蓄電池的保養(yǎng)；（2）電動機由驅(qū)動轉(zhuǎn)動變?yōu)椴裼蜋C的負(fù)載，可降低柴油機起動的轉(zhuǎn)速沖擊。
2.3 對電磁聯(lián)鎖DLS拖后供電控制，實現(xiàn)向氣缸適時噴油
在柴油機起動過程中的低轉(zhuǎn)速階段向氣缸內(nèi)供油，由于油溫較低不能達(dá)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(diào)速器內(nèi)D LS 電磁聯(lián)鎖線圈進(jìn)行單獨供電控制。這樣，可使柴油機先轉(zhuǎn)動，后拉動噴油泵供油齒條，以此來拖后向氣缸內(nèi)供油。
鑒于當(dāng)柴油機由起動電機拖動運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速接近或達(dá)到點火轉(zhuǎn)速時向氣缸內(nèi)噴油最有利于柴油機點火，因此，DLS 線圈得電與否應(yīng)取決于柴油機拖動轉(zhuǎn)速。不同的柴油機或同一柴油機在不同的工作環(huán)境和狀態(tài)下，其點火轉(zhuǎn)速是不同的。與點轉(zhuǎn)速有關(guān)的因素主要有氣缸內(nèi)的溫度、壓力、氧氣含量和燃油的霧化狀態(tài)，影響氣缸內(nèi)溫度的主要因素為油水溫度，所以對DLS 電磁聯(lián)鎖線圈的控制可采用溫度傳感器檢測油水溫度來進(jìn)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(jìn)行起動過程控制時，主要是對柴油機轉(zhuǎn)速的檢測、機油管路內(nèi)油壓的檢測、油水溫度的檢測。采用PCC 進(jìn)行快速運算及判斷，確定點火轉(zhuǎn)速，對起動接觸器、調(diào)速器內(nèi)DLS線圈等進(jìn)行實時控制。
3.1 控制電路
圖1為采用PCC 進(jìn)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(nèi)部的軟繼電器來實現(xiàn)，增加了轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。該電路實現(xiàn)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(hù)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(zhuǎn)速的確定
柴油機起動過程是否點火，可以采用轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化而定，東風(fēng)4型機車阻力特性實驗實側(cè)的運動阻力轉(zhuǎn)矩、電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3 所示。
由柴油機起動系統(tǒng)的運動方程：
圖3 空點火前后啟動轉(zhuǎn)矩、阻力轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩的變化曲線
式中：Ms：起動電機的電磁轉(zhuǎn)矩，Nm；
Me：歸算到起動電機的柴油機阻力轉(zhuǎn)矩，Nm；
GD2 ：歸算到起動電機的柴油機阻力轉(zhuǎn)矩，kg㎡。
當(dāng)柴油機拖動轉(zhuǎn)加速后，dMa / dn ，將由負(fù)值向正值逐步變化。當(dāng)dMa / dn＝O 其轉(zhuǎn)速即為點火轉(zhuǎn)速。
經(jīng)實際測試計算，東鳳4系列機車柴油機起動時點火轉(zhuǎn)速不會超過15Or / min 。由此可選定15Or/min 為其點火轉(zhuǎn)速。
4 結(jié)束語
經(jīng)試驗仿真測試，發(fā)現(xiàn)新的控制方法與原有的技術(shù)相比，可降低柴油機起動過程中的轉(zhuǎn)速沖擊，排煙量減少，并且達(dá)到蓄電池節(jié)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(shù)進(jìn)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(xiàn)，由于PCC適合工業(yè)控制的優(yōu)點，可以相信，在機車的其它部分也可用PCC 來實現(xiàn)自動控制，PCC 技術(shù)的應(yīng)用將給機車控制帶來新的改觀。
參考文獻(xiàn)
[1］趙敬超．化海亭 內(nèi)燃機車電傳動[M] ．北京：中國鐵道出版社．1981 .
[2]齊蒙．最新可編程控制器教程「M」 ．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000 .
[3］鐵道部大連機車廠．東風(fēng)4型內(nèi)燃機車[M] ．大連：大連理工大學(xué)出版社，1994 .
作者：王空冬， 王忠巍，馬修真
（大連鐵道學(xué)院 交通運輸工程系， 大連 116028）
