基于設(shè)備物聯(lián)的內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)維節(jié)能優(yōu)化研究

崔振江

（中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司，湖北 十堰）

1 基于設(shè)備物聯(lián)的內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗監(jiān)測

根據(jù)歐盟交通運(yùn)輸部的統(tǒng)計(jì)，只需排放1.7%的二氧化碳，就能完成10%的貨物運(yùn)輸工作，因此，可以認(rèn)為鐵路運(yùn)輸是目前世界上最低碳、最環(huán)保的交通與運(yùn)輸方式之一。但內(nèi)燃機(jī)車作為鐵路運(yùn)輸中的主要牽引設(shè)備，仍存在高耗能的運(yùn)行缺陷，對此，有必要采取一定的措施，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)車的節(jié)能設(shè)計(jì)[1]。設(shè)計(jì)前，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為支撐，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)車燃油情況的監(jiān)測。

能耗監(jiān)控是內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)維工作實(shí)施的一項(xiàng)重要指標(biāo)，此項(xiàng)工作可以為內(nèi)燃機(jī)車的節(jié)能設(shè)計(jì)與研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。通過對各個(gè)反饋環(huán)路中的燃料消耗進(jìn)行監(jiān)控，對各個(gè)子系統(tǒng)的燃料消耗以及節(jié)能潛力進(jìn)行深度分析，以便能夠及時(shí)找到內(nèi)燃機(jī)車存在的高耗能問題，并及時(shí)采取措施，予以解決，使能源利用達(dá)到最大化，從而實(shí)現(xiàn)整體能耗的控制。

在此過程中應(yīng)明確，物聯(lián)網(wǎng)是集數(shù)據(jù)信息收集、傳播、交互等行為為一體的信息管理方式，將各類信息通過傳感器采集后接入網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的泛在互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)車生產(chǎn)與作業(yè)過程的精準(zhǔn)感知?？梢詫⑽锫?lián)網(wǎng)劃分為感知結(jié)構(gòu)層、網(wǎng)絡(luò)連通層、平臺層和應(yīng)用程序?qū)?。用戶利用各種信息感測設(shè)備，收集與之相關(guān)的信號和數(shù)據(jù)，再利用底層的用戶協(xié)議，將物品和網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而達(dá)到對各種信息進(jìn)行歸類、整理和交換的目的[2]。

精確計(jì)量是內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行中燃油消耗計(jì)量與統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)與核心技術(shù)保障，通常情況下，內(nèi)燃機(jī)車的油箱容量在8 000 L，油箱的刻度尺寸為100 L，而針對油箱的數(shù)值，大多采用人工的方式進(jìn)行觀測。觀測方式見圖1。

圖1 內(nèi)燃機(jī)車的油箱剩余油量觀測

從圖1 可以看出，無論是第一種或是第三種觀測方法，都會造成油箱剩余油量觀測結(jié)果與實(shí)際存在偏差，只有采用平視的方式，按照第二種方式進(jìn)行油箱剩余油量觀測，才能使讀數(shù)具有較強(qiáng)的客觀性[3]。但在實(shí)際觀測中，油箱剩余油量觀測結(jié)果仍會受到多種因素的影響出現(xiàn)偏差，因此，可以在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，輔助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器感知技術(shù)，進(jìn)行油箱剩余油量的觀測與計(jì)量，以此種方式，為燃油消耗的客觀記錄與分析提供依據(jù)。

為滿足上述需求，引進(jìn)壓力采集法，設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)車的油耗數(shù)字化監(jiān)測方案，見圖2。

圖2 內(nèi)燃機(jī)車的油耗數(shù)字化監(jiān)測方案

壓力采集方法的工作原理是，在內(nèi)燃機(jī)車的油箱原有機(jī)械油尺底部裝有一臺高靈敏度的壓力傳感器，通過傳感器，探測油箱內(nèi)燃油壓力的變化，從而推算出燃油的消耗量，通過上述步驟，能夠準(zhǔn)確地反映出一個(gè)取樣循環(huán)內(nèi)的燃油消耗情況，從而判斷出偷、漏油等機(jī)車在異常狀況下的燃油消耗值。根據(jù)現(xiàn)有的大量實(shí)踐可以證明，此種方法在實(shí)際應(yīng)用中，不會受到內(nèi)燃機(jī)車內(nèi)油箱溫度的影響[4]。且與流量測量法相比，該方法在使用時(shí)無累計(jì)誤差，且當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)，不影響供油回路正常工作，具有較高的可靠性、準(zhǔn)確度。同時(shí)，此方法在安全性、可靠性、測量精度、安裝方便以及性能價(jià)格比等方面具有無可比擬的優(yōu)越性，是一種滿足本文研究需要的燃料消耗量測量手段。

在此基礎(chǔ)上，由于油箱體積、高度兩者之間是存在一定非線性關(guān)系的，因此，為了精確地收集內(nèi)燃機(jī)車消耗燃料的體積，需要建立一個(gè)燃料壓力和燃料體積的對應(yīng)表格，并用查表法來計(jì)算燃料體積[5]。由于機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，燃料變化劇烈，因此從壓力傳感器中獲得的燃料殘存壓力必須經(jīng)過濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，再由查表計(jì)算出相應(yīng)的燃料體積，從而達(dá)到燃料體積的實(shí)時(shí)顯示目的。對任意兩個(gè)取樣點(diǎn)的油量進(jìn)行計(jì)算，就可以得到兩個(gè)取樣點(diǎn)的油量，通常情況下，取樣時(shí)間最短為1 分鐘。完成測量的數(shù)據(jù)，將通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)中心，以此實(shí)現(xiàn)并完成內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗監(jiān)測。

2 基于能耗監(jiān)測計(jì)算的內(nèi)燃機(jī)車熱力狀態(tài)評價(jià)

根據(jù)上述內(nèi)容，完成對內(nèi)燃機(jī)運(yùn)維過程中的監(jiān)測。結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，通過計(jì)算對內(nèi)燃機(jī)車熱力狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。內(nèi)燃機(jī)車的工況參數(shù)以n 和Ne為代表，內(nèi)燃機(jī)車的工作性能主要通過動力性和經(jīng)濟(jì)性兩方面指標(biāo)描述。其中，前者表示內(nèi)燃機(jī)車在單位運(yùn)行時(shí)間內(nèi)輸出的功率，輸出功率定義為Ne；后者表示內(nèi)燃機(jī)車在單位運(yùn)行時(shí)間內(nèi)輸出一定功率時(shí)消耗的燃油量，將消耗燃油量定義為ge。其中，Ne可以通過下述公式計(jì)算得出：

式中，i 代表內(nèi)燃機(jī)車中氣缸的數(shù)量，Pe代表內(nèi)燃機(jī)車平均有效壓力，Vh代表氣缸工作體積，n 代表曲軸轉(zhuǎn)動速度，τ代表沖程數(shù)，通常情況下一般內(nèi)燃機(jī)車中柴油機(jī)為四沖程，因此τ的取值為4。ge可以通過下述公式計(jì)算得出：

式中，GT代表內(nèi)燃機(jī)車每小時(shí)需要消耗的燃油量，ey代表在某一轉(zhuǎn)速條件下內(nèi)燃機(jī)車燃油機(jī)單位消耗燃油量，t 代表運(yùn)行時(shí)間。從公式（1）中，如果某一具體的柴油機(jī)氣缸數(shù)，平均有效壓力，氣缸工作體積，以及行程數(shù)都是恒定的，則柴油機(jī)的輸出功率與速度成比例。然后，從式（2）中可以看到，在柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，由于其輸出功率是不變的，因此相應(yīng)的燃油消耗率與在此轉(zhuǎn)速條件下的柴油機(jī)單位燃油消耗量成正比。因而，在一定的速度工況下，發(fā)動機(jī)的單位油耗就可以作為發(fā)動機(jī)油耗的指標(biāo)[6]。由于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動較大，很難精確地測定和估算柴油機(jī)的燃油消耗速率及單位燃油消耗，因此，可以通過柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、相應(yīng)的單位燃油消耗等，來推算一段時(shí)間的理論燃油消耗，并與該段時(shí)間的實(shí)際燃油消耗相比較。

為實(shí)現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)車熱力學(xué)狀態(tài)的更直觀評價(jià)，結(jié)合下述公式，計(jì)算得出內(nèi)燃機(jī)車?yán)碚撚秃牧浚?/p>

式中，E理代表內(nèi)燃機(jī)理論油耗量。e（t）代表在不同速度和不同轉(zhuǎn)速的條件下，單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃油量。通過分析和比較燃料實(shí)際消耗和理論消耗的變化趨勢和偏差值，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)燃料消耗的科學(xué)計(jì)算，并根據(jù)燃料消耗的偏差率，有針對性地調(diào)節(jié)柴油機(jī)的熱力狀態(tài)，保證了柴油機(jī)的熱力狀態(tài)良好，降低了柴油機(jī)的油耗。在內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行的過程中，將實(shí)際油耗量與上述通過計(jì)算得出的E 理值進(jìn)行對比，若實(shí)際油耗量數(shù)值更大，則說明該內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行的過程中不具備節(jié)能性；若E理值更大，則說明該內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行過程中具備節(jié)能性。

3 基于評價(jià)結(jié)果的內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)維節(jié)能優(yōu)化

3.1 基于單位能耗計(jì)算的運(yùn)輸組織優(yōu)化

根據(jù)上述評價(jià)結(jié)果，針對不具備節(jié)能性的內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)維節(jié)能進(jìn)行優(yōu)化。內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行的過程中，其阻力構(gòu)成較為復(fù)雜，并且是一個(gè)非線性的隨機(jī)過程，對其基本阻力的計(jì)算，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Daivs 方程計(jì)算得出：

式中，w0代表內(nèi)燃機(jī)車阻力，a 代表基準(zhǔn)阻力參數(shù)，b代表滾動時(shí)產(chǎn)生的阻力，c 代表空氣中產(chǎn)生的阻力，v（t）代表內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行速度。從交通組織的觀點(diǎn)出發(fā)，運(yùn)用內(nèi)燃機(jī)車的燃油消耗可劃分為牽引燃油消耗、單引擎燃油消耗、段內(nèi)停留和站內(nèi)停留的燃油消耗。內(nèi)燃機(jī)車的燃料消耗量e 根據(jù)以下公式：

式中，Ea代表內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行期間燃油消耗，Eb代表內(nèi)燃機(jī)車非運(yùn)行期間燃油消耗，G 代表牽引總質(zhì)量，L 代表單機(jī)牽引區(qū)段長度。在對交通組織與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)研中，通過對其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其在運(yùn)輸組織、制造等方面的問題。通過優(yōu)化運(yùn)輸組織，制定并落實(shí)相應(yīng)的對策和措施，降低單機(jī)走行和有動力停留等輔助作業(yè)，根據(jù)牽引定數(shù)，合理安排列車編組，降低內(nèi)燃機(jī)車單位燃油消耗。

3.2 基于牽引功耗計(jì)算的節(jié)能操縱優(yōu)化

內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行控制可分為牽引、惰行和制動三種情況。其中牽引和制動并不是直接切換，也不同時(shí)存在，惰行工況通常出現(xiàn)在下坡或停車時(shí)。在牽引時(shí)，內(nèi)燃機(jī)車可以利用牽引動力克服機(jī)車在前行過程中的阻力，見圖3。

圖3 內(nèi)燃機(jī)車牽引工況受力狀態(tài)

在制動工況下，內(nèi)燃機(jī)車可以充分利用施加在輪周制動力迫使機(jī)車降速或停車，見圖4。

圖4 內(nèi)燃機(jī)車制動工況受力狀態(tài)

根據(jù)上述分析，確定內(nèi)燃機(jī)車牽引功耗的方程為：

式中，E 代表內(nèi)燃機(jī)車的牽引功耗，M 代表內(nèi)燃機(jī)車的總質(zhì)量，vs代表內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行到某一位置s 時(shí)的速度，ds代表阻力方程基本參數(shù)，vi0代表內(nèi)燃機(jī)車在第i 次制動時(shí)的初始速度，vi代表內(nèi)燃機(jī)車在第i 次制動時(shí)的結(jié)束速度，Δh 代表內(nèi)燃機(jī)車起始位置高度差。在內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行中，機(jī)車阻力是始終存在的，而這一部分的能量消耗又是機(jī)車牽引能量消耗的主要來源。內(nèi)燃機(jī)車能耗水平將以速度為主導(dǎo)，而對操作水平的控制是影響內(nèi)燃機(jī)車燃料消耗的關(guān)鍵。為保證內(nèi)燃機(jī)車的安全行駛，在內(nèi)燃機(jī)車全程行駛中，不可避免地要有調(diào)速制動和制動停車。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的牽引功耗組成可知，制動次數(shù)、制動時(shí)間、制動及緩解時(shí)內(nèi)燃機(jī)車實(shí)時(shí)速度都是影響制動能耗的主要因素，所以，通過對制動時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確判斷，可以有效地減少該功率損耗。最后，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車在坡道上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)當(dāng)恰當(dāng)利用重力勢能轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢，以此減少牽引做功，達(dá)到節(jié)能目的和效果。

結(jié)束語

由于內(nèi)燃機(jī)車具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，因此，內(nèi)燃機(jī)車在鐵路交通中占有十分重要的地位，但是由于內(nèi)燃機(jī)車的工作機(jī)制和我國的資源現(xiàn)狀存在矛盾，加上日益嚴(yán)重的環(huán)保問題，因此，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)車節(jié)能降耗體系的優(yōu)化研究，減少機(jī)車運(yùn)行的燃料消耗，對于在運(yùn)營線路的降本增效具有重要的作用，同時(shí)，落實(shí)此項(xiàng)工作，對于推進(jìn)新開通的鐵路運(yùn)營專用線、中非鐵路運(yùn)輸合作而言具有重要的作用。為滿足此方面需求，上文基于設(shè)備物聯(lián)角度對此展開了研究。希望此次的研究成果在正式投入市場使用后，可以在真正意義上為內(nèi)燃機(jī)車的安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)，以此種方式，進(jìn)一步帶動我國鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的持續(xù)化發(fā)展。