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PCC 技术在内燃机车柴油机起动控制中的应用 |
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作者：贝加莱工业自动化 |
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目前，路内运用的东风4型系列内燃机车均采用串励电动机由蓄电池供电进行柴油机起动，在起动过程中，由于控制的主观性、时间继电器的滞后性等问题，导致柴油机在起动过程中蓄电池亏能大，柴油机燃烧状态不好。运用PCC (programmable computer controller)技术控制内燃机车柴油机起动，可以减少每次起动时蓄电池的放电量，改变柴油机的燃烧状态，从而实现柴油机的节能和智能起动。
1 机车柴油机起动的现状
目前, 在东风4型机车上装有电动机油泵和燃油泵，在每次起动前需延时45s~60s 供机油和燃油，供机油是为了防止在柴油机停机时间较长时，其各运动部件拉伤，而提供的燃油则是为柴油机点火建立燃油压力。在供机油过程中，起动滑油泵运转时间不能过长，否则不利于蓄电池的保养。在起动过程中，起动电机转动和燃油泵向气缸内供油为同步控制。油压建立以前，起动电机不可以停转。
起动柴油机必须解决3 个问题：（1）燃油的供给；（2）运动部件的润滑；（3）蓄电池向起动电机供电，Q D 带动柴油机转动。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（Q C）来实现的。
这种控制方法存在如下缺陷：
a.操纵人员必须通过主观判断起动完成与否来控制柴油机起动，每次起动都需要耳听发火声，眼睛观察机油压力表的变化；
b.向气缸内供油过早，在柴油机低速转动时，喷油器的喷油质量很差，将降低气缸内的温度，拖延点火转速，导致起动能量耗高，排烟量大，甚至爆燃；
c. 在柴油机气缸内已经点火后，蓄电池继续向起动电机供电，造成蓄电池的放电量大；
d. 如果由于某种原因柴油机不能正常点火，将出现起动接触器烧死的情况，并且蓄电池亏能增大。
2 柴油机起动过程的编程设计
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，采用PCC 实现检测和控制环节。
柴油机的起动过程大致可分为4 个阶段，准备、柴油机被驱动转动、点火和建立油压稳定运转。准备阶段主要是预供机油和燃油。东风4型机车采用45s 延时控制燃油泵和机油泵运转。实现起动前预先向管路供油。根据起动过程的不同阶段，结合前面柴油机起动过程中的问题，可逐步解决。
2.1 起动接触器得电控制
起动接触器得电与否，应取决于柴油机管路内的油压状况。理想的控制应是以滑油压力和燃油压力作为控制信号，这样在首次起动时，如果油压建立不起来或油管路中存在问题时，将不会起动柴油机。而目前在起动过程中主要是在45s~60s 延时后，由人为观测滑油压力表和机油压表，假定在45s~60s 的延时过程中，油压一定会建立起来这样一种假设的情况下，进行Q C 得电控制的，缺乏控制手段。为此，可采用压力传感器来提取机油和燃油压力信号，并将其通过转换输入到PCC 中，由PCC 根据设定值判断和执行QC 的得电控制。
2.2 根据点火时柴油机的转速进行停止起动电机（QD）运转的控制
柴油机起动是否成功，关键在于柴油机是否能正常点火，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150r/min 左右，稳定运转的最低转速为430r/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 判断和控制QC 的开断，即控制蓄电池向起动电机供电：（1）可节省蓄电池的电能，有利于蓄电池的保养；（2）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。
2.3 对电磁联锁DLS拖后供电控制，实现向气缸适时喷油
在柴油机起动过程中的低转速阶段向气缸内供油，由于油温较低不能达到完全燃烧，同时，又会降低气缸燃烧时的温度，造成起动困难，甚至爆燃。因此，可采用对起动接触器及调速器内D LS 电磁联锁线圈进行单独供电控制。这样，可使柴油机先转动，后拉动喷油泵供油齿条，以此来拖后向气缸内供油。
鉴于当柴油机由起动电机拖动运转，转速接近或达到点火转速时向气缸内喷油最有利于柴油机点火，因此，DLS 线圈得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。与点转速有关的因素主要有气缸内的温度、压力、氧气含量和燃油的雾化状态，影响气缸内温度的主要因素为油水温度，所以对DLS 电磁联锁线圈的控制可采用温度传感器检测油水温度来进行控制。
3 柴油机起动过程的PCC控制
从前面的分析中可以得知，在进行起动过程控制时，主要是对柴油机转速的检测、机油管路内油压的检测、油水温度的检测。采用PCC 进行快速运算及判断，确定点火转速，对起动接触器、调速器内DLS线圈等进行实时控制。
3.1 控制电路
图1为采用PCC 进行柴油机起动控制的接线简图。与目前的控制方法相比， 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。
图l 柴油机起动PCC 控制接线简
3.2 起动流程图
图2启动流程图
3.3 点火转速的确定
柴油机起动过程是否点火，可以采用转矩随转速的变化而定，东风4型机车阻力特性实验实侧的运动阻力转矩、电机驱动转矩、加速转矩与电机转速的关系如图3 所示。
图3 空点火前后启动转矩、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：起动电机的电磁转矩，Nm；
Me：归算到起动电机的柴油机阻力转矩，Nm；
GD2 ：归算到起动电机的柴油机阻力转矩，kg㎡。
当柴油机拖动转加速后，dMa / dn ，将由负值向正值逐步变化。当dMa / dn＝O 其转速即为点火转速。
经实际测试计算，东凤4系列机车柴油机起动时点火转速不会超过15Or / min 。由此可选定15Or/min 为其点火转速。
4 结束语
经试验仿真测试，发现新的控制方法与原有的技术相比，可降低柴油机起动过程中的转速冲击，排烟量减少，并且达到蓄电池节能的目的。在新方法中减少了人工长期按位IQA 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（l）机车恒功率控制；(2）电阻制动；(3）机车电气故障的诊断。都可采用PCC来实现，由于PCC适合工业控制的优点，可以相信，在机车的其它部分也可用PCC 来实现自动控制，PCC 技术的应用将给机车控制带来新的改观。(end)
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(4/24/2008) |
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