蔡志偉,董志忠,欒寶奇
(中車大連機(jī)車車輛有限公司 機(jī)車開發(fā)部,遼寧大連116022)
柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)車的重要組成部分,對降低燃油消耗率,減少輔助系統(tǒng)功率消耗、提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、改善柴油機(jī)排放等方面具有重要意義。受到內(nèi)燃機(jī)車總體設(shè)備布局、軸重及輔助系統(tǒng)功率消耗等方面限制,冷卻系統(tǒng)的設(shè)計不僅需要考慮輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊的散熱器,還要考慮高效的冷卻方式及控制策略。文中主要針對內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)及控制方法進(jìn)行分析與研究。
傳統(tǒng)的東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s水系統(tǒng)由高溫水泵、低溫水泵、中冷器、機(jī)油熱交換器、散熱器、膨脹水箱等組成,冷卻氣缸套、氣缸蓋等柴油機(jī)高溫部件的系統(tǒng)為高溫冷卻水系統(tǒng),冷卻機(jī)油和增壓空氣的冷卻水系統(tǒng)稱為低溫冷卻水系統(tǒng),機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)高、低溫散熱器一般呈前后布置,高、低溫冷卻水系統(tǒng)各用一個冷卻風(fēng)扇進(jìn)行單獨(dú)控制。
HXN3型內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)與傳統(tǒng)東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s水系統(tǒng)基本相同,區(qū)別是采用全封閉式加壓冷卻方式[1],將機(jī)油熱交換器的冷卻設(shè)置在高溫冷卻系統(tǒng)中,低溫冷卻系統(tǒng)僅為增壓空氣進(jìn)行冷卻,進(jìn)而使低溫水溫度不受機(jī)油溫度的影響。通過調(diào)節(jié)高、低溫冷卻風(fēng)扇電機(jī)的工作頻率,可實(shí)現(xiàn)按排放和油耗的不同要求對高、低溫水溫度分別進(jìn)行控制。
HXN5型內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)采用全封閉式加壓冷卻方式,是一種多級散熱器串聯(lián)的散熱形式[2],通過流向控制閥分配散熱器,控制冷卻水系統(tǒng)排放和非排放2種工作模式[3]。在排放模式下,流向控制閥控制低溫冷卻水進(jìn)入中冷器,為優(yōu)化排放而對中冷器提供足夠的冷卻能力;在非排放模式下,為優(yōu)化柴油機(jī)高溫部件散熱效率而對柴油機(jī)提供最大冷卻能力[4]。冷卻水系統(tǒng)通過水溫調(diào)節(jié)2個冷卻風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速對散熱器進(jìn)行冷卻。
通過控制冷卻風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)冷卻水溫度的控制。傳統(tǒng)的溫度控制方法有PID閉環(huán)控制、閾值控制及模糊控制等。PID溫度閉環(huán)控制存在超調(diào)量大、滯后時間長等缺點(diǎn)。改進(jìn)型的PID控制器,比如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID控制器及模糊PID控制器等,雖然可以在一定程度上解決超調(diào)量大、滯后時間長等問題,但其控制參數(shù)仍需要經(jīng)大量試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)和整定,實(shí)施難度較大。閾值控制法通過設(shè)定溫度、溫度差及溫度變化率等參數(shù)的閾值,當(dāng)超過或低于這些閾值時,被控量按照一定的加、減速率加大或減少,該控制方法可保證溫度在設(shè)定范圍內(nèi)變化,但較難實(shí)現(xiàn)溫度的恒定控制。模糊控制是基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論,其控制算法較為復(fù)雜,過程較為繁瑣、工作量大。
雙流道散熱干式冷卻系統(tǒng)主要由散熱器、膨脹水箱、高溫水泵、低溫水泵、機(jī)油熱交換器等部件組成,其原理如圖1所示。散熱器采用雙流道結(jié)構(gòu),低溫部分在下,高溫部分在上。冷卻風(fēng)扇氣流先為低溫散熱器冷卻,后為高溫散熱器冷卻。膨脹水箱起到儲水和補(bǔ)水的作用,柴油機(jī)起動后膨脹水箱中的水進(jìn)入高、低溫水冷卻系統(tǒng)參與冷卻循環(huán)。柴油機(jī)停機(jī)后,散熱器中的冷卻水在重力的作用下流回膨脹水箱,散熱器呈干式[5]。
圖1 內(nèi)燃機(jī)車雙流道干式冷卻系統(tǒng)原理圖
根據(jù)柴油機(jī)所需冷卻的零部件不同,分為2個冷卻系統(tǒng),分別是高溫冷卻水系統(tǒng)和低溫冷卻水系統(tǒng)。高溫冷卻水系統(tǒng)冷卻柴油機(jī)氣缸套、氣缸蓋及機(jī)油熱交換器,也稱柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng);低溫冷卻水系統(tǒng)冷卻增壓空氣,也稱中冷水系統(tǒng)。
高溫冷卻水系統(tǒng)原理:高溫水從柴油機(jī)高溫部件流出,當(dāng)高溫水溫度低于溫控閥開啟溫度時,溫控閥關(guān)閉,高溫冷卻水經(jīng)過溫控閥、機(jī)油熱交換器,流回高溫水泵,進(jìn)入柴油機(jī);當(dāng)高溫水溫度高于溫控閥開啟溫度時,溫控閥開啟,高溫冷卻水經(jīng)過溫控閥、散熱器高溫部分、機(jī)油熱交換器,流回高溫水泵,進(jìn)入柴油機(jī)。
低溫冷卻水系統(tǒng)原理:低溫冷卻水從中冷器流出,當(dāng)?shù)蜏厮疁囟鹊陀跍乜亻y開啟溫度時,溫控閥關(guān)閉,低溫冷卻水經(jīng)過溫控閥,流回低溫水泵,進(jìn)入中冷器;當(dāng)?shù)蜏厮疁囟雀哂跍乜亻y開啟溫度時,溫控閥開啟,低溫冷卻水經(jīng)過溫控閥、散熱器低溫部分,流回低溫水泵,進(jìn)入中冷器。
采用雙流道散熱干式冷卻系統(tǒng),使得冷卻空氣能夠同時冷卻高、低溫散熱器,進(jìn)而有效提高散熱量,降低輔助系統(tǒng)功率消耗。
冷卻水溫度對柴油機(jī)運(yùn)行的影響很大,冷卻系統(tǒng)的作用是使柴油機(jī)在各種工況下保持適當(dāng)?shù)臏囟?。高溫冷卻系統(tǒng)直接影響柴油機(jī)發(fā)熱部件的溫度及熱應(yīng)力,與柴油機(jī)可靠性直接相關(guān)。低溫冷卻系統(tǒng)影響柴油機(jī)的進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣量和空燃比,進(jìn)而影響柴油機(jī)的排放。
當(dāng)冷卻水的溫度過高,會導(dǎo)致機(jī)油因受熱黏度降低,各零部件潤滑部位的油膜因此被破壞或者減少,影響潤滑效果,甚至產(chǎn)生積碳、拉缸、零部件失效等問題;當(dāng)冷卻水的溫度過低,會導(dǎo)致機(jī)油黏度增大,流動性能降低,影響潤滑性能,同時由于氣缸內(nèi)溫度低,氣缸壁內(nèi)表面還會附著少量水蒸氣,并與燃燒所產(chǎn)生的物質(zhì)反應(yīng)腐蝕氣缸壁;當(dāng)冷卻水溫度來回波動,雖然溫度在可接受范圍之內(nèi),但是由于冷熱周期性頻繁變化,依然會對柴油機(jī)性能和可靠性產(chǎn)生影響。
為了保證柴油機(jī)能在理想狀態(tài)下工作,避免冷卻水溫度過高或過低是冷卻水溫度控制的原則和目標(biāo)。在如圖1所示的雙流道干式冷卻系統(tǒng)中,2個冷卻風(fēng)扇同時具備對高溫水和低溫水的冷卻功能,為了防止風(fēng)路被部分短路,影響散熱效率,控制系統(tǒng)會通過變頻方式控制2個風(fēng)扇電機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速同步運(yùn)行,高、低溫水溫度會隨著柴油機(jī)功率和冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化同步升高或下降。
基于上述原理,當(dāng)高溫水溫度或低溫水溫度高于相應(yīng)起動閾值,則控制2個冷卻風(fēng)扇同時啟動至最低設(shè)定轉(zhuǎn)速;當(dāng)高溫水溫度或低溫水溫度高于相應(yīng)最高溫度閾值時,控制2個冷卻風(fēng)扇同步升速到最高設(shè)定轉(zhuǎn)速,否則以高溫水溫度設(shè)定值為控制目標(biāo),通過基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法,同步控制2個冷卻風(fēng)扇運(yùn)行。正常情況下,基于該冷卻水溫度控制策略,高溫水溫度始終被控制在設(shè)定目標(biāo)值,低溫水溫度受不同環(huán)境溫度及柴油機(jī)負(fù)荷影響在一定的范圍內(nèi)變化。
通過前文對當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的幾種溫度控制方法存在問題的分析,文中提出一種基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法,基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制主程序流程圖如圖2所示,其主程序應(yīng)用定時器1產(chǎn)生20 ms定時中斷,然后周期性按流程圖執(zhí)行。中斷子程序首先在框1.1關(guān)閉定時器1中斷,在框1.2清除定時器1中斷標(biāo)志;然后進(jìn)入框1.3,判斷風(fēng)扇是否已經(jīng)完成啟動:如果否,則進(jìn)入框1.5,執(zhí)行風(fēng)扇啟動子程序,否則進(jìn)入框1.4,判斷HT 圖2 基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制主程序流程圖 高溫水溫度閉環(huán)控制子程序流程圖如圖3所示,基本程序流程如下:首先在框2.1中檢測高溫水溫度并對其進(jìn)行濾波處理得到高溫水溫度T;然后在框2.2中判斷時間計數(shù)器CT累加值是否大于或等于時間計數(shù)器設(shè)定值CTSet,如果否,程序結(jié)束,如果是,進(jìn)入框2.3中計算在設(shè)定時間步長△t時間內(nèi)高溫水溫度增量△T,其中△t可根據(jù)實(shí)際控制需求進(jìn)行調(diào)整,此處為2 s,因此CTSet值設(shè)定為100;然后進(jìn)入框2.4,判斷高溫水溫度增量△T是否大于高溫水溫度增量閾值DLTMax:如果是,則進(jìn)入框2.5,計算頻率增加量△F,增大輸出頻率F=F+△F,否則進(jìn)入框2.6,判斷高溫水溫度增量△T是否小于溫度變化率閾值DLTMin:如果是,則進(jìn)入框2.7執(zhí)行計算頻率減少量△F,減小輸出頻率F=F-△F,否則進(jìn)入框2.8,將時間計數(shù)器CT清零。在本程序流程中,不同的高溫水溫度范圍下對應(yīng)的溫度變化閾值DLTMax、DLTMin的選取以及頻率變化量△F的計算是不同的,這些值的選取和計算可以通過判定條件與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方式獲得,也可以根據(jù)溫度T及溫度增量△T查詢一個預(yù)先設(shè)計好的二維表,并通過差值算法獲得。 圖3 高溫水溫度閉環(huán)控制子程序流程圖 雙流道干式冷卻系統(tǒng)及基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法已經(jīng)成功應(yīng)用于CKD9B型機(jī)車,該機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)原理與圖1所示原理基本相同,區(qū)別在于高、低溫水的溫控閥是柴油機(jī)內(nèi)置的。該冷卻系統(tǒng)散熱器體積小、重量輕、散熱效率高。通過采用文中所述的基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法,可使柴油機(jī)在不同負(fù)載下的高、低溫水溫度保持穩(wěn)定,減小了輔助系統(tǒng)能耗,并解決了機(jī)車應(yīng)用過程中出現(xiàn)的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及柴油機(jī)高、低溫水溫度周期性波動的問題,可更好的發(fā)揮機(jī)車柴油機(jī)的性能,提高可靠性。 軟件優(yōu)化前采用閾值法控制的CKD9B型機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)曲線如圖4所示:橫軸為時間,s,上部分實(shí)線和虛線分別為柴油機(jī)檢測的高溫水溫度及機(jī)車控制系統(tǒng)檢測的高溫水溫度,在84~96℃之間變化,此時環(huán)境溫度為20℃;在此下方為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從1 560 r/m下降到惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速600 r/m;中部與高溫水溫度以相同周期性變化的實(shí)線和虛線分別是柴油機(jī)自身檢測的低溫水溫度和機(jī)車微機(jī)系統(tǒng)檢測的低溫水溫度,在42~55℃之間變化。2個冷卻風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)行頻率在18~80 Hz之間周期性變化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明冷卻風(fēng)扇的調(diào)速性能差,當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載率不變時,高、低溫水溫度出現(xiàn)了周期約為300 s、峰值約為12℃的等幅振蕩,柴油機(jī)的熱穩(wěn)定性不好,柴油機(jī)性能和可靠性會受到影響。 圖4 基于溫度閾值法控制的CKD9B型機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)曲線 基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法進(jìn)行軟件優(yōu)化后的CKD9B型機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)曲線如圖5所示:試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明冷卻風(fēng)扇的調(diào)試性能明顯改善,在環(huán)境溫度為20℃時,高溫水穩(wěn)定在90℃附近,低溫水溫度穩(wěn)定在48℃附近,很好的滿足了柴油機(jī)對高、低溫水溫度的要求。相對于改進(jìn)前的軟件,優(yōu)化后的軟件使輔助逆變器輸出頻率平穩(wěn)變化,冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速波動大幅減小,很大程度上減少了系統(tǒng)沖擊,節(jié)約了輔助系統(tǒng)能源消耗。 圖5 基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法的CKD9B型機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)曲線 提出的雙流道干式冷卻系統(tǒng)及基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法已成功地應(yīng)用于多種內(nèi)燃機(jī)車,通過在CKD9B內(nèi)燃機(jī)車上的典型應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析,表明了該冷卻系統(tǒng)冷卻水溫度控制平穩(wěn),效果良好,具有較高的實(shí)際推廣價值。4 雙流道干式冷卻系統(tǒng)及基于高溫水溫度閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)控制方法的應(yīng)用
5 結(jié)論