基于PCC 技術(shù)的機(jī)車(chē)柴油機(jī)起動(dòng)控制

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)用的東風(fēng)4 型系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)均采用蓄電池供電的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)柴油機(jī)起動(dòng)，由于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，并且受人為因素、蓄電池狀態(tài)、時(shí)間繼電器滯后等問(wèn)題的影響，經(jīng)常導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)困難，蓄電池虧電，柴油機(jī)燃燒狀態(tài)不良等問(wèn)題的發(fā)生，尤其在我國(guó)北方地區(qū)寒冷的冬季，蓄電池虧電和柴油機(jī)起動(dòng)困難已經(jīng)成為困擾機(jī)務(wù)部門(mén)的難題之一。運(yùn)用PCC 技術(shù)對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行智能控制，可以改善柴油機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，減少起動(dòng)時(shí)蓄電池能量的消耗，改善柴油機(jī)的燃燒狀態(tài)，從而達(dá)到提高機(jī)車(chē)機(jī)動(dòng)性、降低燃油消耗、減少有害物質(zhì)排放的目的。

1 機(jī)車(chē)柴油機(jī)起動(dòng)的現(xiàn)狀

現(xiàn)以東風(fēng)4C 型機(jī)車(chē)為例說(shuō)明柴油機(jī)起動(dòng)中存在的問(wèn)題，該機(jī)車(chē)上設(shè)有繼電器、接觸器等有觸點(diǎn)電器組成的邏輯柴油機(jī)起動(dòng)控制電路，電路功能簡(jiǎn)單，故障功率較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的優(yōu)化控制。 機(jī)車(chē)上裝有起動(dòng)機(jī)油泵專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)在起動(dòng)過(guò)程中向柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)件提供潤(rùn)滑油，在柴油機(jī)起動(dòng)前起動(dòng)機(jī)油泵需提前45～60s 工作，燃油泵需要提前10s 左右向柴油機(jī)提供燃油，提前供機(jī)油是為了防止柴油機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后起動(dòng)時(shí)，其各運(yùn)動(dòng)部件因缺油而拉傷;燃油泵提前工作則是為高壓油泵正常工作提供必要的燃油壓力。 起動(dòng)機(jī)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)消耗大量的蓄電池能量，不利于柴油機(jī)的起動(dòng)。起動(dòng)電機(jī)和燃油泵為同步控制，其起動(dòng)電路圖如圖1 所示。

圖1 東風(fēng)4 型機(jī)車(chē)柴油機(jī)起動(dòng)電路原理圖

從圖中可以看出，柴油機(jī)起動(dòng)必須具備三個(gè)條件:一是燃油的供給;二是運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑;三是蓄電池要有足夠的能量驅(qū)動(dòng)起動(dòng)電機(jī)，使柴油機(jī)達(dá)到一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。 在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，對(duì)起動(dòng)電機(jī)和噴油泵供油齒條的控制都是通過(guò)起動(dòng)接觸器QC 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種控制方法存在如下缺陷：

⑴采用有觸點(diǎn)電器組成控制電路，功能單一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，無(wú)法滿足柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的優(yōu)化控制，與現(xiàn)代的科技發(fā)展水平不相適應(yīng)。

⑵操縱人員必須通過(guò)觀察判斷柴油機(jī)起動(dòng)成功與否來(lái)控制起動(dòng)過(guò)程。 為此，起動(dòng)時(shí)操作人員必須通過(guò)柴油機(jī)的聲音、轉(zhuǎn)速及機(jī)油壓力等來(lái)判斷其起動(dòng)情況，并通過(guò)起動(dòng)按鈕控制起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，如果控制不當(dāng)，可能造成柴油機(jī)起動(dòng)失敗，或因起動(dòng)電機(jī)工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，蓄電池過(guò)放而無(wú)法繼續(xù)起動(dòng)，這就要求操作人員具備較高的素質(zhì)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。

⑶向氣缸內(nèi)噴油過(guò)早。 在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，噴油壓力亦較低，噴油器的噴油質(zhì)量很差，燃油不能與空氣充分混合，拖延點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致起動(dòng)能耗高，排煙量大，甚至爆燃。

⑷在柴油機(jī)已經(jīng)發(fā)火后，蓄電池繼續(xù)向起動(dòng)電機(jī)供電，造成蓄電池過(guò)放，影響蓄電池的壽命。

⑸如果柴油機(jī)不能正常點(diǎn)火，長(zhǎng)時(shí)間按住起動(dòng)按鈕，將造成起動(dòng)接觸器燒損、蓄電池虧電等故障。

因此，對(duì)柴油機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制是十分必要的。

2 應(yīng)用于機(jī)車(chē)控制的優(yōu)越性

可編程計(jì)算機(jī)控制器(Programmable Computer Controller) 是以微處理器為核心的通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置，它完全可以取代繼電器邏輯控制裝置，不僅能方便地處理開(kāi)關(guān)量和模擬量，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算處理等功能。PCC 配有大容量的存貯器，通過(guò)軟件編程代替常規(guī)的繼電器邏輯控制功能，可使控制系統(tǒng)智能化，并具有體積小、重量輕、速度快、可靠性高和易調(diào)試等特點(diǎn)。 同時(shí)還能適應(yīng)高低溫、沖擊振動(dòng)、電磁干擾、電源波動(dòng)等較惡劣的工作環(huán)境。 奧地利貝加萊公司生產(chǎn)的B&R2000PCC 系列產(chǎn)品是在電源、功能、安全操作方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品。

2. 1 基于PCC 的機(jī)車(chē)柴油機(jī)起動(dòng)優(yōu)化控制

針對(duì)目前柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的缺陷和不足，可以將其起動(dòng)過(guò)程按時(shí)間展開(kāi)，進(jìn)行編程控制，以PCC 為核心組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過(guò)程的檢測(cè)和智能控制。

柴油機(jī)的起過(guò)程大致可分為四個(gè)階段，即準(zhǔn)備、柴油機(jī)被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)、發(fā)火和建立油壓后穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。準(zhǔn)備階段主要是預(yù)供機(jī)油和燃油1 東風(fēng)4C 型機(jī)車(chē)采用45～60s 延時(shí)控制燃油泵和機(jī)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)前預(yù)先向機(jī)油系統(tǒng)供油。 根據(jù)起動(dòng)過(guò)程的不同階段，對(duì)現(xiàn)有柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中存在的問(wèn)題，可逐步優(yōu)化解決。

2. 2 起動(dòng)接觸器(QC) 的控制

在柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)接觸器(QC) 得電與否，應(yīng)取決于柴油機(jī)管路內(nèi)的油壓狀況。 理想情況下，應(yīng)取機(jī)油壓力和燃油壓力作為控制信號(hào)，這樣在首次起動(dòng)時(shí)，如果因油泵、管路或其它部分出現(xiàn)故障，致使機(jī)油和燃油壓力達(dá)不到要求的范圍，將不會(huì)使起動(dòng)接觸器閉合起動(dòng)柴油機(jī)。 而目前在起動(dòng)過(guò)程中，按下起動(dòng)按鈕1QA 起動(dòng)機(jī)油泵開(kāi)始工作，并經(jīng)45～60s 延時(shí)后，主要靠人為觀測(cè)機(jī)油壓力表和燃油壓表判斷壓力是否滿足要求，并確定是否停止起動(dòng)。從某種程度上講，可以說(shuō)現(xiàn)有的起動(dòng)控制邏輯是基于在45～60s的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，油壓一定會(huì)建立起來(lái)這種假設(shè)下，對(duì)起動(dòng)接觸器QC 進(jìn)行控制的。 由于機(jī)油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的狀態(tài)差別較大，建立起機(jī)油和燃油壓力的時(shí)間亦不相同，因此，上述假設(shè)不符合實(shí)際，無(wú)法保證控制的精確性。 為此，可采用壓力傳感器測(cè)量機(jī)油和燃油壓力，并將有關(guān)信號(hào)通過(guò)模擬通道輸入到PCC 相應(yīng)的模塊中，由PCC 根據(jù)設(shè)定的壓力范圍進(jìn)行判斷，并控制QC 的動(dòng)作。

2. 3 起動(dòng)電機(jī)(QD) 的優(yōu)化控制

柴油機(jī)起動(dòng)成功與否，關(guān)鍵在于柴油機(jī)是否點(diǎn)火，作為起動(dòng)的終止應(yīng)受控于柴油機(jī)發(fā)火轉(zhuǎn)速，如果因?yàn)槟撤N原因不能正常起動(dòng)，則應(yīng)自動(dòng)停止起動(dòng)，以減少蓄電池的放電量和避免起動(dòng)接觸器(QC) 燒死。 正常情況下，東風(fēng)4 型系列機(jī)車(chē)柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，點(diǎn)火轉(zhuǎn)速在150 r/ min 左右，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為430 r/ min。如果采取轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)出柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入到PCC 中，由PCC 根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制QC 的通/斷，即控制蓄電池向起動(dòng)電機(jī)供電;一方面可節(jié)省蓄電池的電能，有利于延長(zhǎng)蓄電池的壽命;另一方面，電動(dòng)機(jī)由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)椴裼蜋C(jī)的負(fù)載，可降低柴油機(jī)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊。

2. 4 對(duì)電磁聯(lián)鎖DLS 的供電控制

在柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，如果在低轉(zhuǎn)速階段過(guò)早的向氣缸內(nèi)噴油將產(chǎn)生許多不良后果，一方面由于壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力較低，另一方面由于噴壓力低，燃油霧化不良，不能與空氣充分混合形成可燃混合氣，使得噴入的燃油不能完全燃燒，甚至根本不燃燒;同時(shí)，還會(huì)降低燃燒室內(nèi)的溫度，從而造成起動(dòng)困難，甚至爆燃。 因此，對(duì)起動(dòng)接觸器及調(diào)速器內(nèi)DLS 電磁聯(lián)鎖線圈根據(jù)柴油機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速單獨(dú)進(jìn)行供電控制是十分必要的。 這樣，可在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)火轉(zhuǎn)速后，再拉動(dòng)噴油泵供油齒條，從而達(dá)到在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻開(kāi)始向氣缸內(nèi)噴油的目的。

鑒于當(dāng)柴油機(jī)由起動(dòng)電機(jī)(QD) 拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時(shí)向氣缸內(nèi)噴油最有利于柴油機(jī)點(diǎn)火，故DLS 線圈通電與否應(yīng)取決于柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速。 不同的柴油機(jī)或同一柴油機(jī)在不同的工作環(huán)境和狀態(tài)下，其點(diǎn)火轉(zhuǎn)速是不同的。 而影響點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的因素主要有氣缸內(nèi)的溫度和壓力、氧氣含量及燃油的霧化狀態(tài)等，影響氣缸內(nèi)溫度的主要因素為油水溫度，夏季柴油機(jī)油水溫度高，所以容易起動(dòng);反之，柴油機(jī)冬季則起動(dòng)困難，所以可在檢測(cè)油水溫度的前提下，對(duì)DLS 電磁聯(lián)鎖線圈進(jìn)行優(yōu)化控制。

3 柴油機(jī)起動(dòng)PCC 控制器的邏輯設(shè)計(jì)及流程

3. 1 控制電路

由上述分析可知，在柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、燃油壓力、及油水溫度的檢測(cè)，由PCC 對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行快速運(yùn)算、處理和智能判斷，確定合理的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，并對(duì)起動(dòng)接觸器、DLS 線圈等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖2 柴油機(jī)起動(dòng)PCC 控制接線簡(jiǎn)圖 圖3 起動(dòng)流程圖

采用PCC 作為柴油機(jī)起動(dòng)控制的核心，其接線簡(jiǎn)圖如圖2 所示。 由圖中可以看出，與原有的控制方法相比，減少了時(shí)間繼電器1SJ ，由PCC 內(nèi)部的軟繼電器來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)了起動(dòng)延時(shí)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(dòng)電路的分離。

在上述過(guò)程中，連接到模擬量輸入接線端的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模塊內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

3. 2 起動(dòng)流程

根據(jù)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中控制信號(hào)的工作次序，其起動(dòng)流程如圖3 所示。

在起動(dòng)過(guò)程中，計(jì)時(shí)環(huán)節(jié)由PCC 內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以防止長(zhǎng)期按住1QA 造成QC(起動(dòng)接觸器)
燒損情況的發(fā)生。

3. 3 點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的確定

柴油機(jī)起動(dòng)的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的變化而定，東風(fēng)4 型機(jī)車(chē)阻力特性、運(yùn)動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩、電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 點(diǎn)火前后起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、阻力轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩的變化曲線
由柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程

式中， Ms 為起動(dòng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，Nm; Me 為起動(dòng)電機(jī)的柴油機(jī)阻力轉(zhuǎn)矩，Nm。

當(dāng)柴油機(jī)拖動(dòng)加速轉(zhuǎn)動(dòng)后， d Ma/ dn 將由負(fù)值向正值逐步變化。 當(dāng)dMa/ d n = 0時(shí)，其轉(zhuǎn)速即為點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。

經(jīng)過(guò)對(duì)影響機(jī)車(chē)柴油機(jī)起動(dòng)有關(guān)參數(shù)的實(shí)際測(cè)量，在標(biāo)定大氣環(huán)境下確定其點(diǎn)火轉(zhuǎn)速為150 r/ min。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)，采用PCC 控制機(jī)車(chē)柴油機(jī)起動(dòng)與原有的技術(shù)相比，可降低柴油機(jī)起過(guò)程中的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，排煙量減少，并且達(dá)到蓄電池節(jié)能的目的。在新的控制中減少了人工長(zhǎng)期按住1QA 這一操作。 隨著技術(shù)進(jìn)步，已出廠機(jī)車(chē)和新造機(jī)車(chē)都需要新的手段來(lái)改造和裝備。如①機(jī)車(chē)恒功率控制; ②電阻制動(dòng); ③機(jī)車(chē)電氣故診斷都可采用PCC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 鑒于PCC 強(qiáng)大的功能及適合工業(yè)控制的特點(diǎn)，完全可以把其作為整個(gè)機(jī)車(chē)系統(tǒng)智能控制的核心，可以相信，PCC 技術(shù)的應(yīng)用將給機(jī)車(chē)控制帶來(lái)新的改觀。