基于PCC 技术的机车柴油机起动控制

基于PCC 技术的机车柴油机起动控制

目前，国内运用的东风4 型系列内燃机车均采用蓄电池供电的串励电动机带动柴油机起动，由于现有的控制系统功能简单，并且受人为因素、蓄电池状态、时间继电器滞后等问题的影响，经常导致柴油机起动困难，蓄电池亏电，柴油机燃烧状态不良等问题的发生，尤其在我国北方地区寒冷的冬季，蓄电池亏电和柴油机起动困难已经成为困扰机务部门的难题之一。运用PCC 技术对机车柴油机的起动过程进行智能控制，可以改善柴油机的起动过程，减少起动时蓄电池能量的消耗，改善柴油机的燃烧状态，从而达到提高机车机动性、降低燃油消耗、减少有害物质排放的目的。

1 机车柴油机起动的现状

现以东风4C 型机车为例说明柴油机起动中存在的问题，该机车上设有继电器、接触器等有触点电器组成的逻辑柴油机起动控制电路，电路功能简单，故障功率较高，无法实现柴油机起动过程的优化控制。 机车上装有起动机油泵专门负责在起动过程中向柴油机的运动件提供润滑油，在柴油机起动前起动机油泵需提前45～60s 工作，燃油泵需要提前10s 左右向柴油机提供燃油，提前供机油是为了防止柴油机在长时间停机后起动时，其各运动部件因缺油而拉伤;燃油泵提前工作则是为高压油泵正常工作提供必要的燃油压力。 起动机油泵运转时间不能过长，否则会消耗大量的蓄电池能量，不利于柴油机的起动。起动电机和燃油泵为同步控制，其起动电路图如图1 所示。

图1 东风4 型机车柴油机起动电路原理图

从图中可以看出，柴油机起动必须具备三个条件:一是燃油的供给;二是运动部件润滑;三是蓄电池要有足够的能量驱动起动电机，使柴油机达到一定的起动转速。 在整个起动过程中，对起动电机和喷油泵供油齿条的控制都是通过起动接触器QC 来实现的。这种控制方法存在如下缺陷：

⑴采用有触点电器组成控制电路，功能单一，结构复杂，故障率高，无法满足柴油机起动过程的优化控制，与现代的科技发展水平不相适应。

⑵操纵人员必须通过观察判断柴油机起动成功与否来控制起动过程。 为此，起动时操作人员必须通过柴油机的声音、转速及机油压力等来判断其起动情况，并通过起动按钮控制起动电动机的工作状态，如果控制不当，可能造成柴油机起动失败，或因起动电机工作时间过长，蓄电池过放而无法继续起动，这就要求操作人员具备较高的素质和丰富的经验。

⑶向气缸内喷油过早。 在柴油机转速较低时，喷油压力亦较低，喷油器的喷油质量很差，燃油不能与空气充分混合，拖延点火转速，从而导致起动能耗高，排烟量大，甚至爆燃。

⑷在柴油机已经发火后，蓄电池继续向起动电机供电，造成蓄电池过放，影响蓄电池的寿命。

⑸如果柴油机不能正常点火，长时间按住起动按钮，将造成起动接触器烧损、蓄电池亏电等故障。

因此，对柴油机的起动过程进行优化控制是十分必要的。

2 应用于机车控制的优越性

可编程计算机控制器(Programmable Computer Controller) 是以微处理器为核心的通用工业自动控制装置，它完全可以取代继电器逻辑控制装置，不仅能方便地处理开关量和模拟量，还能实现自动定时、计数和算术运算处理等功能。PCC 配有大容量的存贮器，通过软件编程代替常规的继电器逻辑控制功能，可使控制系统智能化，并具有体积小、重量轻、速度快、可靠性高和易调试等特点。 同时还能适应高低温、冲击振动、电磁干扰、电源波动等较恶劣的工作环境。 奥地利贝加莱公司生产的B&R2000PCC 系列产品是在电源、功能、安全操作方面达到国际先进水平的产品。

2. 1 基于PCC 的机车柴油机起动优化控制

针对目前柴油机起动过程中的缺陷和不足，可以将其起动过程按时间展开，进行编程控制，以PCC 为核心组成控制系统，实现起动过程的检测和智能控制。

柴油机的起过程大致可分为四个阶段，即准备、柴油机被驱动转动、发火和建立油压后稳定运转。准备阶段主要是预供机油和燃油1 东风4C 型机车采用45～60s 延时控制燃油泵和机油泵运转，以实现起动前预先向机油系统供油。 根据起动过程的不同阶段，对现有柴油机起动过程中存在的问题，可逐步优化解决。

2. 2 起动接触器(QC) 的控制

在柴油机起动过程中，起动接触器(QC) 得电与否，应取决于柴油机管路内的油压状况。 理想情况下，应取机油压力和燃油压力作为控制信号，这样在首次起动时，如果因油泵、管路或其它部分出现故障，致使机油和燃油压力达不到要求的范围，将不会使起动接触器闭合起动柴油机。 而目前在起动过程中，按下起动按钮1QA 起动机油泵开始工作，并经45～60s 延时后，主要靠人为观测机油压力表和燃油压表判断压力是否满足要求，并确定是否停止起动。从某种程度上讲，可以说现有的起动控制逻辑是基于在45～60s的延时时间内，油压一定会建立起来这种假设下，对起动接触器QC 进行控制的。 由于机油系统和燃油系统的状态差别较大，建立起机油和燃油压力的时间亦不相同，因此，上述假设不符合实际，无法保证控制的精确性。 为此，可采用压力传感器测量机油和燃油压力，并将有关信号通过模拟通道输入到PCC 相应的模块中，由PCC 根据设定的压力范围进行判断，并控制QC 的动作。

2. 3 起动电机(QD) 的优化控制

柴油机起动成功与否，关键在于柴油机是否点火，作为起动的终止应受控于柴油机发火转速，如果因为某种原因不能正常起动，则应自动停止起动，以减少蓄电池的放电量和避免起动接触器(QC) 烧死。 正常情况下，东风4 型系列机车柴油机起动时，点火转速在150 r/ min 左右，最低稳定转速为430 r/ min。如果采取转速传感器测出柴油机的转速，并将转速信号输入到PCC 中，由PCC 根据柴油机转速控制QC 的通/断，即控制蓄电池向起动电机供电;一方面可节省蓄电池的电能，有利于延长蓄电池的寿命;另一方面，电动机由驱动转动变为柴油机的负载，可降低柴油机起动的转速冲击。

2. 4 对电磁联锁DLS 的供电控制

在柴油机起动过程中，如果在低转速阶段过早的向气缸内喷油将产生许多不良后果，一方面由于压缩终点的温度和压力较低，另一方面由于喷压力低，燃油雾化不良，不能与空气充分混合形成可燃混合气，使得喷入的燃油不能完全燃烧，甚至根本不燃烧;同时，还会降低燃烧室内的温度，从而造成起动困难，甚至爆燃。 因此，对起动接触器及调速器内DLS 电磁联锁线圈根据柴油机的起动转速单独进行供电控制是十分必要的。 这样，可在柴油机转速达到发火转速后，再拉动喷油泵供油齿条，从而达到在适当的时刻开始向气缸内喷油的目的。

鉴于当柴油机由起动电机(QD) 拖动运转的转速达到点火转速时向气缸内喷油最有利于柴油机点火，故DLS 线圈通电与否应取决于柴油机拖动转速。 不同的柴油机或同一柴油机在不同的工作环境和状态下，其点火转速是不同的。 而影响点火转速的因素主要有气缸内的温度和压力、氧气含量及燃油的雾化状态等，影响气缸内温度的主要因素为油水温度，夏季柴油机油水温度高，所以容易起动;反之，柴油机冬季则起动困难，所以可在检测油水温度的前提下，对DLS 电磁联锁线圈进行优化控制。

3 柴油机起动PCC 控制器的逻辑设计及流程

3. 1 控制电路

由上述分析可知，在柴油机起动时，可以通过对柴油机转速、机油压力、燃油压力、及油水温度的检测，由PCC 对检测到的信号进行快速运算、处理和智能判断，确定合理的点火转速，并对起动接触器、DLS 线圈等进行实时控制。

图2 柴油机起动PCC 控制接线简图 图3 起动流程图

采用PCC 作为柴油机起动控制的核心，其接线简图如图2 所示。 由图中可以看出，与原有的控制方法相比，减少了时间继电器1SJ ，由PCC 内部的软继电器来实现，增加了转速传感器、温度传感器和压力传感器。 该电路实现了起动延时控制，蓄电池供电控制、供油齿条控制以及油压保护电路与起动电路的分离。

在上述过程中，连接到模拟量输入接线端的模拟信号经过模块内的模数转换器(ADC)转换成数字量。

3. 2 起动流程

根据柴油机起动过程中控制信号的工作次序，其起动流程如图3 所示。

在起动过程中，计时环节由PCC 内部的计数器来实现，以防止长期按住1QA 造成QC(起动接触器)
烧损情况的发生。

3. 3 点火转速的确定

柴油机起动的点火转速，可以根据转矩转速的变化而定，东风4 型机车阻力特性、运动阻力转矩、电机驱动转矩、加速转矩与电机转速的关系如图4 所示。

图4 点火前后起动转矩、阻力转矩、加速转矩的变化曲线
由柴油机起动系统的运动方程

式中， Ms 为起动电机的电磁转矩，Nm; Me 为起动电机的柴油机阻力转矩，Nm。

当柴油机拖动加速转动后， d Ma/ dn 将由负值向正值逐步变化。 当dMa/ d n = 0时，其转速即为点火转速。

经过对影响机车柴油机起动有关参数的实际测量，在标定大气环境下确定其点火转速为150 r/ min。

4 结语

经过模拟试验，采用PCC 控制机车柴油机起动与原有的技术相比，可降低柴油机起过程中的转速冲击，排烟量减少，并且达到蓄电池节能的目的。在新的控制中减少了人工长期按住1QA 这一操作。 随着技术进步，已出厂机车和新造机车都需要新的手段来改造和装备。如①机车恒功率控制; ②电阻制动; ③机车电气故诊断都可采用PCC 来实现。 鉴于PCC 强大的功能及适合工业控制的特点，完全可以把其作为整个机车系统智能控制的核心，可以相信，PCC 技术的应用将给机车控制带来新的改观。