鐵道機(jī)車車輛用內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)靜液壓控制方式

許俊梅+孫開意

摘 要：本文主要解決在內(nèi)燃動車組柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的靜液壓控制。基于靜液壓控制的冷卻系統(tǒng)工作原理是靜液壓控制器采集從總線傳入的溫度信號，通過控制器內(nèi)部溫度-轉(zhuǎn)速曲線，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過實(shí)時(shí)采集溫度信號，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。同時(shí)從信號采集、靜液壓控制兩個(gè)角度與以往的冷卻控制進(jìn)行了對比，體現(xiàn)出靜液壓控制在內(nèi)燃動車組的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃動車；冷卻系統(tǒng)；靜液壓控制

1背景與研究意義

隨著中國內(nèi)燃動車組的出口和發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的高效性、經(jīng)濟(jì)性、以及排放問題都成為了全球高度關(guān)注的問題。隨著柴油機(jī)升功率不斷提高，高溫環(huán)境下各零部件的磨損加劇，工作粗暴，功率下降，柴油機(jī)的冷卻散熱問題也就顯得愈發(fā)突，成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題[1]。冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)不可或缺的一部分，是發(fā)動機(jī)穩(wěn)定、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。

本文針對內(nèi)燃動車組對影響冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部位的參數(shù)進(jìn)行研究分析，模擬車輛運(yùn)行極限工況，提出新型靜液壓冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分的依據(jù)，在滿足車輛運(yùn)行要求的前提下降低成本。本文的研究對象是某車用柴油發(fā)動機(jī)，掌握系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)變化對冷卻液溫度的影響規(guī)律。

傳統(tǒng)的內(nèi)燃動車組柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)采用電機(jī)直接驅(qū)動冷卻風(fēng)機(jī)或者雙速電機(jī)控制方式，為滿足不同季節(jié)及負(fù)荷對冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的要求，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為雙速，風(fēng)扇的啟動停止轉(zhuǎn)換和高低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換，通過柴油機(jī)冷卻水管路上設(shè)置的溫度控制器。

由于啟動以后只有高/低兩個(gè)檔位，不能根據(jù)不同需求而改變轉(zhuǎn)速，存在極大的浪費(fèi)了電能和無法滿足冷卻要求的可能，不利于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部燃燒，效率低、費(fèi)用高，同時(shí)故障率也較高，此外該方式還會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的頻繁啟動帶來大電流對電網(wǎng)的沖擊和溫度波動變化的問題。

沒有與機(jī)車控制系統(tǒng)通信的接口，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動控制。

為了進(jìn)一步降低列車的生產(chǎn)制造成本，提高冷卻系統(tǒng)的效率和智能化水平，開發(fā)一套新型的智能化冷卻驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)急需解決的問題。采用靜液壓驅(qū)動的新型冷卻系統(tǒng)不僅要能夠解決上述傳統(tǒng)冷卻方式所帶來的問題，同時(shí)還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測，進(jìn)一步提高整個(gè)列車牽引系統(tǒng)的可靠性。

2車輛柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)模型

冷卻系統(tǒng)由冷卻裝置、水空中冷器、水泵、膨脹水箱、靜液壓控制器、水泵、冷卻風(fēng)機(jī)、管路、節(jié)溫器、傳感器組成。柴油機(jī)高溫水經(jīng)水泵進(jìn)入散熱器，經(jīng)散熱器冷卻后回到柴油機(jī)。柴油機(jī)高溫增壓空氣和高溫液壓油經(jīng)空冷裝置冷卻后回到柴油機(jī)，水-空中冷器通過低溫水循環(huán)中的冷卻液將增壓空氣的熱量帶走，經(jīng)低溫水泵流至散熱器后回到水-空中冷器。

3冷卻控制設(shè)計(jì)

3.1靜液壓控制方案

冷卻系統(tǒng)熱工模型具有大延遲性和非線性，傳統(tǒng)的內(nèi)燃動車組內(nèi)燃機(jī)冷卻調(diào)速方式不能準(zhǔn)確滿足內(nèi)燃機(jī)對冷卻系統(tǒng)的要求，極大的浪費(fèi)了電能效率低、費(fèi)用高，同時(shí)故障率也較高，此外還會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的頻繁啟動帶來大電流的沖擊和溫度的波動變化的問題[2]。

采用靜液壓控制方式的新型冷卻系統(tǒng)可對冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，把柴油機(jī)工作溫度穩(wěn)定在最適宜范圍內(nèi)，同時(shí)提高了冷卻系統(tǒng)的效率和智能化水平，精確實(shí)時(shí)監(jiān)控柴油機(jī)工作溫度[3]，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)智能化、精確化控制。

如圖2所示，靜液壓控制器采集溫度信號，基于內(nèi)燃機(jī)冷卻要求設(shè)計(jì)程序，控制器通過電流控制電流調(diào)節(jié)比例電磁閥的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)變量泵的流量，最終實(shí)現(xiàn)溫度/風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

3.2詳細(xì)技術(shù)方案

基于靜液壓的內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)主要包括靜液壓控制器、柴油機(jī)控制器ECM、泵、馬達(dá)、風(fēng)扇、增壓空氣冷卻裝置、冷卻水冷卻裝置等。ECM將柴油機(jī)增壓空氣溫度和冷卻水溫度通過CAN/RS485傳輸給靜液壓控制器，通過內(nèi)部溫度/轉(zhuǎn)速曲線程序，根據(jù)負(fù)載不同要求實(shí)現(xiàn)溫度/轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

空冷系統(tǒng)和水冷控制方式完全相同，不再贅述。

4車輛靜液壓控制模型

動力包配套試驗(yàn)主要由主控通訊系統(tǒng)、柴油機(jī)動力系統(tǒng)、柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)、主發(fā)電機(jī)、電纜等附件組成。柴油機(jī)型號為：D2876LUE604，額定輸出功率：365kW。主發(fā)電機(jī)容量：355KVA。風(fēng)機(jī)額定功率：5kW，液壓泵功率：20kW。

靜液壓控制器兩個(gè)水泵電磁閥相連，控制線束集中于電氣柜。

如圖4所示，柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)采用了液力耦合傳動，控制柴油機(jī)水冷的液壓泵1和控制柴油機(jī)空冷與液壓油冷卻的液壓泵2通過萬向軸和柴油機(jī)曲軸連接，柴油機(jī)曲軸向液壓泵輸出動力，冷卻裝置的冷卻風(fēng)扇由馬達(dá)驅(qū)動，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速通過安裝在柴油機(jī)管路上的溫度傳感器，將溫度信號輸入控制器，經(jīng)輸出自動控制靜液壓泵的排量[4]，從而改變靜液壓馬達(dá)驅(qū)動冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

此靜液壓控制方案具有減緩沖擊和隔離扭振功能，具有在外載荷超載時(shí)保護(hù)電機(jī)和工作機(jī)不受損壞的過載保護(hù)功能，且具有柔性制動減速功能，啟動扭矩大，冷卻系統(tǒng)可平穩(wěn)工作，傳遞功率與其輸入轉(zhuǎn)速的平方成正比，輸入轉(zhuǎn)速高時(shí)，能容量大，性能價(jià)格比高。具有節(jié)電效果，能降低電機(jī)的啟動電流和持續(xù)時(shí)間，降低對電網(wǎng)的沖擊，故障率低，使用壽命長。靜液壓器控制指令及狀態(tài)反饋均通過CAN/RS485總線與機(jī)車控制系統(tǒng)通信，減少了傳感器的數(shù)量，進(jìn)一步提高整個(gè)列車牽引系統(tǒng)的可靠性。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，靜液壓器冷卻系統(tǒng)滿足柴油機(jī)對冷卻系統(tǒng)的要求。

5結(jié)論

本文對影響發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻性能的諸多因素進(jìn)行比較詳細(xì)的分析和研究，對于柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)提供了一種智能、可靠的調(diào)速方式。實(shí)驗(yàn)室建立柴油機(jī)冷卻模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控柴油機(jī)的工作溫度，此種控制方式為列車安全高效提供了基礎(chǔ)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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