鐵道機車車輛用內燃機冷卻系統靜液壓控制方式

許俊梅+孫開意

摘 要：本文主要解決在內燃動車組柴油機冷卻系統中的靜液壓控制。基于靜液壓控制的冷卻系統工作原理是靜液壓控制器采集從總線傳入的溫度信號，通過控制器內部溫度-轉速曲線，進而控制電機轉速。通過實時采集溫度信號，實現對風扇轉速進行閉環控制，使風扇轉速始終穩定在規定的轉速范圍內。同時從信號采集、靜液壓控制兩個角度與以往的冷卻控制進行了對比，體現出靜液壓控制在內燃動車組的優勢。

關鍵詞：內燃動車；冷卻系統；靜液壓控制

1背景與研究意義

隨著中國內燃動車組的出口和發展，內燃機的高效性、經濟性、以及排放問題都成為了全球高度關注的問題。隨著柴油機升功率不斷提高，高溫環境下各零部件的磨損加劇，工作粗暴，功率下降，柴油機的冷卻散熱問題也就顯得愈發突，成為制約其進一步發展的瓶頸問題[1]。冷卻系統作為發動機不可或缺的一部分，是發動機穩定、可靠運轉的基礎。冷卻系統的主要任務是保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。

本文針對內燃動車組對影響冷卻系統關鍵部位的參數進行研究分析，模擬車輛運行極限工況，提出新型靜液壓冷卻系統的優化設計提供充分的依據，在滿足車輛運行要求的前提下降低成本。本文的研究對象是某車用柴油發動機，掌握系統關鍵參數變化對冷卻液溫度的影響規律。

傳統的內燃動車組柴油機冷卻系統采用電機直接驅動冷卻風機或者雙速電機控制方式，為滿足不同季節及負荷對冷卻風扇轉速的要求，風扇轉速為雙速，風扇的啟動停止轉換和高低轉速轉換，通過柴油機冷卻水管路上設置的溫度控制器。

由于啟動以后只有高/低兩個檔位，不能根據不同需求而改變轉速，存在極大的浪費了電能和無法滿足冷卻要求的可能，不利于內燃機內部燃燒，效率低、費用高，同時故障率也較高，此外該方式還會導致風機的頻繁啟動帶來大電流對電網的沖擊和溫度波動變化的問題。

沒有與機車控制系統通信的接口，無法實現實時監測和自動控制。

為了進一步降低列車的生產制造成本，提高冷卻系統的效率和智能化水平，開發一套新型的智能化冷卻驅動系統已經成為一個急需解決的問題。采用靜液壓驅動的新型冷卻系統不僅要能夠解決上述傳統冷卻方式所帶來的問題，同時還可以進一步實現冷卻系統運行狀態的實時控制與監測，進一步提高整個列車牽引系統的可靠性。

2車輛柴油機冷卻系統模型

冷卻系統由冷卻裝置、水空中冷器、水泵、膨脹水箱、靜液壓控制器、水泵、冷卻風機、管路、節溫器、傳感器組成。柴油機高溫水經水泵進入散熱器，經散熱器冷卻后回到柴油機。柴油機高溫增壓空氣和高溫液壓油經空冷裝置冷卻后回到柴油機，水-空中冷器通過低溫水循環中的冷卻液將增壓空氣的熱量帶走，經低溫水泵流至散熱器后回到水-空中冷器。

3冷卻控制設計

3.1靜液壓控制方案

冷卻系統熱工模型具有大延遲性和非線性，傳統的內燃動車組內燃機冷卻調速方式不能準確滿足內燃機對冷卻系統的要求，極大的浪費了電能效率低、費用高，同時故障率也較高，此外還會導致風機的頻繁啟動帶來大電流的沖擊和溫度的波動變化的問題[2]。

采用靜液壓控制方式的新型冷卻系統可對冷卻風機進行閉環控制，實時對風機轉速進行補償計算，把柴油機工作溫度穩定在最適宜范圍內，同時提高了冷卻系統的效率和智能化水平，精確實時監控柴油機工作溫度[3]，實現冷卻系統智能化、精確化控制。

如圖2所示，靜液壓控制器采集溫度信號，基于內燃機冷卻要求設計程序，控制器通過電流控制電流調節比例電磁閥的開度，進而調節變量泵的流量，最終實現溫度/風機轉速閉環控制。

3.2詳細技術方案

基于靜液壓的內燃機冷卻系統主要包括靜液壓控制器、柴油機控制器ECM、泵、馬達、風扇、增壓空氣冷卻裝置、冷卻水冷卻裝置等。ECM將柴油機增壓空氣溫度和冷卻水溫度通過CAN/RS485傳輸給靜液壓控制器，通過內部溫度/轉速曲線程序，根據負載不同要求實現溫度/轉速閉環控制。

空冷系統和水冷控制方式完全相同，不再贅述。

4車輛靜液壓控制模型

動力包配套試驗主要由主控通訊系統、柴油機動力系統、柴油機冷卻系統、主發電機、電纜等附件組成。柴油機型號為：D2876LUE604，額定輸出功率：365kW。主發電機容量：355KVA。風機額定功率：5kW，液壓泵功率：20kW。

靜液壓控制器兩個水泵電磁閥相連，控制線束集中于電氣柜。

如圖4所示，柴油機冷卻系統采用了液力耦合傳動，控制柴油機水冷的液壓泵1和控制柴油機空冷與液壓油冷卻的液壓泵2通過萬向軸和柴油機曲軸連接，柴油機曲軸向液壓泵輸出動力，冷卻裝置的冷卻風扇由馬達驅動，風扇轉速通過安裝在柴油機管路上的溫度傳感器，將溫度信號輸入控制器，經輸出自動控制靜液壓泵的排量[4]，從而改變靜液壓馬達驅動冷卻風扇轉速。

此靜液壓控制方案具有減緩沖擊和隔離扭振功能，具有在外載荷超載時保護電機和工作機不受損壞的過載保護功能，且具有柔性制動減速功能，啟動扭矩大，冷卻系統可平穩工作，傳遞功率與其輸入轉速的平方成正比，輸入轉速高時，能容量大，性能價格比高。具有節電效果，能降低電機的啟動電流和持續時間，降低對電網的沖擊，故障率低，使用壽命長。靜液壓器控制指令及狀態反饋均通過CAN/RS485總線與機車控制系統通信，減少了傳感器的數量，進一步提高整個列車牽引系統的可靠性。

通過實驗數據的采集，靜液壓器冷卻系統滿足柴油機對冷卻系統的要求。

5結論

本文對影響發動機冷卻系統冷卻性能的諸多因素進行比較詳細的分析和研究，對于柴油機冷卻系統提供了一種智能、可靠的調速方式。實驗室建立柴油機冷卻模型，實時監控柴油機的工作溫度，此種控制方式為列車安全高效提供了基礎，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]程利軍.利渤海爾靜液壓驅動冷卻系統簡介[J].裝載機與維修.2004（7）：136-137.

[2]李奕.涼水塔風機網絡化在線監測與故障診斷系統研究[J].石油化工設備技術.2002，8-45，46.

[3]吳乘禮.國內外冷卻塔風機綜述[J].流體工程，1993，21（4）：35-38.

[4]張傳芹，盛昭寒，郭佳志，基于OPC技術的生產管理信息集成方法[J].計算機工程.2002，28（3）：17-21.