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。

1 現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)及控制方法

1.1 冷卻系統(tǒng)

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。

1.2 控制方法

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。

2 雙流道散熱干式冷卻系統(tǒng)

2.1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

2.2 冷卻系統(tǒng)原理

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。

3 冷卻系統(tǒng)控制方法

3.1 冷卻水溫度對柴油機(jī)工作的影響

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。

3.2 冷卻水溫度控制策略

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。

3.3 軟件設(shè)計

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

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

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

5 結(jié)論

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。