機車柴油機防飛車裝置的研究與設計

摘要：內燃機車柴油機在工作過程中，由于操作不當或供油系統機械故障等意外因素，可能導致柴油機發生飛車事故。當內燃機車柴油機發生嚴重飛車故障后，會造成曲軸、缸頭、活塞連桿組、缸套等柴油機零件損壞，其造成的經濟損失非常巨大。因此在柴油機上合理地加裝完全獨立控制的保護裝置，以提高柴油機工作的安全性是非常重要的。

關鍵詞：內燃機車 柴油機 飛車 斷油法

1 概況

發生飛車后，隨著柴油機轉速的增高，噴油泵柱塞與柱塞套間的漏損減小，進入氣缸內的柴油增加，導致柴油機的轉速再增高，從而形成惡性循環。柴油機轉速的不斷增高，使氣缸內溫度不斷升高，活塞的膨脹量增加，活塞連桿組各零件運動加劇，負荷增大，超過其強度極限后，輕則造成部分薄弱機件損壞，重則造成整臺柴油機報廢。若柴油發動機采用新型斷油系統，就可以使柴油機迅速停止轉動，從而避免損失甚至人員傷害。機車柴油機防飛車裝置是從工程實際出發，從根本上預防和解決飛車問題。

2 防飛車方案的選擇

2.1 幾種機車柴油機防飛車方案

目前，柴油機防飛車安全保護裝置的設計方案有多種，根據其設計指導思想的差別，可將其歸為以下幾類[1]：“斷氣法”、“斷油法”、“加大負荷法”、“斷氣、斷油法”、“斷油、加大負荷法”。

2.2 方案對比分析

幾種方案對比分析如下：①“斷氣法”：可迅速、可靠抑制飛車。但“斷氣”的同時，會引起增壓器短暫喘振，并因部分燃油未充分燃燒，可能造成柴油機內積油等問題，而且不易實現，驅動機構復雜，可靠性不高，超速控制范圍小。②“斷油法”：可有效擬制飛車，而且容易實現，成本低，控制精度高，誤差小，可靠性高，驅動機構簡單可靠便于安裝維修。切斷供油從原理上是說得通的，一般的設計在實際上卻不怎么有效。原因是油管、燃油濾清器和活塞頂部上的殘油足以維持相當長時間的繼續燃燒，很難將柴油機的轉速降下來，導致飛車故障不能立即得到抑制。③“加大負荷法”：可以緩解飛車，但需要修改機車控制系統，這就是說要改變原設計，這種方法雖然有效，但容易造成柴油機和變速箱零件損壞，而且很危險。易出交通事故，因此不提倡。④對噴油泵附件系統采用無剛性障礙設計：優化設計的必然，但不能從根本上解決飛車所有問題。⑤“斷氣、斷油法”：在實施斷氣的同時，切斷燃油。超速控制精度高，可調超速控制轉速范圍大，可靠性高，此方法從原理上來講最有效，但系統較“斷氣法”復雜，性能改進不大而且改造成本較高。

通過對幾種防飛車有效方案分析，調研了防飛車裝置設計的實際可能性。本設計采用斷油法來實現防飛車的目的，針對目前斷油法存在的一些不足（例如不能立即擬制飛車），通過設計可以在管道中形成高度真空狀態，這樣管道剩余的燃油就不能吸走，從而縮短停車時間，達到立即擬制飛車的目的。另外它采用獨立于柴油機運行的方式來工作，采取可靠性和抗干擾性設計，具有獨立運行、受環境影響小、抗干擾能力強等特點，可以滿足柴油機防飛車的實際需要。

3 防飛車裝置的設計

3.1 斷油系統

3.1.1 工作原理

在噴油泵低壓油道的進油口處，完全切斷進入噴油泵低壓油道的柴油，使噴油泵低壓油道內形成真空，導致柱塞偶件內部的柴油供給減弱直至完全切斷，促使柴油機自動停機。

3.1.2 系統結構

系統結構[2]如下：首先將電磁閥的出油口安裝在柴油機噴油泵低壓油道的進油口，其次將柴油濾清器引出的柴油軟管通過回油螺絲固定在斷油電磁閥的進油口上，不同型號的柴油機可選用不同絲口的電磁閥。柴油機在正常使用狀態，電磁閥的電源在斷開位置，柴油經過濾清器濾清后經柴油軟管和回油螺絲進入電磁閥內腔后流入噴油泵低壓油道。柴油機出現飛車事故時，斷油閥關閉噴油泵低壓油道，使斷油閥門完全切斷進入噴油泵低壓油道的柴油，使噴油泵低壓油道內形成真空，導致柱塞偶件內部的柴油供給減弱直至完全切斷，促使柴油機自動停機。

3.2 斷油系統組成

系統主要由轉速傳感器、電子控制器、電磁閥組成。控制器和電磁閥工作電壓DC110V。

3.2.1 轉速傳感器

轉速傳感器的選擇要求可靠性高、抗干擾能力強、兼容性好。因此綜合分析后選用磁電感應式傳感器，可安裝在柴油機盤車齒輪護罩或凸輪軸觀察孔蓋處，用于測量柴油機轉速。

3.2.2 電子控制器

控制器接收來自轉速傳感器的信號，并將其整形濾波和放大后，由數碼管顯示柴油機轉速。控制器根據柴油機轉速準確判斷柴油機的工作狀態，并在柴油機將要發生飛車的瞬間，迅速發出控制指令驅動電磁鐵動作，使斷油閥關閉切斷柴油機供油，令其減速停車。同時控制器將記錄柴油機飛車轉速及日期，用于事故備案分析，并保持斷油閥的斷開狀態，直到人工恢復斷油閥，回到正常開通工作狀態。此外，控制器上還設有“急停”按鈕，可在任意時刻發出緊急停車指令，達到緊急停車的目的。控制器的硬件電路由轉速脈沖信號調理、輸出控制驅動電路、轉速顯示電路及開關電源四部分電路組成。

轉速脈沖信號調理電路的功能是將轉速傳感器的電壓輸出信號轉變為邏輯電平脈沖信號，同時輸入接口電路還起到輸入信號緩沖作用[3]。

控制器的測速及控制電路采用了Atme189C51單片機，具有很高的可靠性。超速保護控制器的轉速顯示采用4位LED數碼管顯示。控制器的軟件由測速模塊、超速判斷模塊、轉速顯示模塊構成，超速判斷模塊是控制器的主要軟件模塊。超速判斷采用瞬時轉速、平均轉速和加速度參數極限值綜合判斷準則，以確保超速判斷的準確性和及時性。

開關電源為控制器提供同110V輔助電源隔離的控制電源。由于斷油閥需要較大的能量驅動，故應用直流110V電源，所以開關電源的輸入也使用110V電源，這樣避開提高經變換器輸出的24V或50V電源的功率問題，而且減少了控制器的輸入電源種類和外部接線。

4 結論

從防飛車斷油保護裝置動作實驗結果表明，該裝置完全可滿足上述柴油機的要求，當柴油機轉速達到“飛車”轉速時，控制器準確及時地發出信號，操縱斷油閥動作，使柴油機迅速停機。控制器除在正常情況下準確測速外，還真實地記錄了從飛車轉速信號發出到斷油閥動作柴油機轉速的變化到柴油機停機的全過程。可以有效地控制各種原因造成的柴油機“飛車”事故。從柴油機轉速達到設定的飛車轉速時刻起到柴油機轉速開始回落的時間完全在允許范圍之內。極限調速器動作和斷油閥動作控制柴油機停機，其停機過程相似，但單片機控制超速保護控制裝置要可靠得多。因而，這套裝置對防止飛車是完全可行和有效的。但是機車柴油機防飛車裝置它本身也存在一些缺陷，例如：內燃機車發生飛車時，雖然已經選擇了內燃機最近的燃油通路進行截斷，但是管路之中仍然存有一定的燃油，造成機車柴油機無法快速停機。

參考文獻：

[1]趙新房，夏全國，李樹昌.一種新型柴油機防飛車系統的設計[J].柴油機，2006.10.

[2]鄭殿旺等.柴油機防飛車電子控制裝置的研制[J].內燃機，1998.4.

[3]楊學東.490D型柴油機預防“飛車”裝置設計[J].內燃機，2007.10.

作者簡介：高駿宇（1981-），男，河南泌陽人，大學本科，工程師，北京西整備車間副主任。