飛機除冰車加熱控制系統設計

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1 前言

飛機除冰車是寒冷地區機場及航空公司必備的飛機運行安全保障車輛之一。一旦遇到雨雪霜凍等惡劣天氣，飛機表面會出現結冰霜凍情況，為保證飛行安全，必須在起飛前對飛機進行除冰作業。給飛機除冰的方式有很多種，如：人工除冰、噴灑除冰液/防冰液除冰、紅外除冰等，目前普遍使用的是依靠將除冰液加熱到要求溫度后，使其高壓噴出的方式除冰。而按照除冰液加熱方式不同，又分為即熱式和預熱式兩種。但是，由于預熱時間長、循環工作效率低，預熱式的除冰方式已經遠遠不能滿足機場在高寒地區持續除冰作業的需求。所以，即熱式的除冰設備成為當前最能滿足要求的除冰作業設備，其不僅可以在短時間內將除冰液溫度加熱到預設溫度，還具有持續循環作業能力。但根據目前在各個機場及航空公司使用的航空地面除冰移動設備來看，其普遍存在低溫點火成功率低、升溫速度過慢（2個噴油嘴）、燃燒等級少（2級或者4級）、等級切換時冒黑煙、溫度穩定性低、故障查找困難等問題。

針對上述存在的問題，為解決現有技術的不足，筆者提出一種多級燃燒等級（16級）、多火焰噴嘴（4個）以滿足不同除冰液流量及不同初始溫度下，保證除冰作業時噴槍出口溫度能夠快速達到并穩定在設定溫度，且具有自動啟停功能的除冰車加熱系統。

2 系統結構

飛機除冰車除冰液加熱控制系統由信號采集系統、中央控制處理器、顯示系統以及執行系統等部分組成，通過中央處理器對各個子系統檢測到的數據進行算法計算并對執行機構進行控制，使除冰作業時噴槍出口溫度快速達到并穩定在設定溫度。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.1 信號采集子系統

除冰車加熱系統的信號采集子系統主要由溫度傳感器、油壓傳感器、風壓傳感器、感光傳感器以及流量計等組成，將除冰車鍋爐加熱系統所需要的參數實時傳送到中央控制處理器進行運算，控制器將根據采集回來的入口溫度、出口溫度、當前流量、當前設定的目標溫度、燃油壓力以及風機壓力計算出所需要的燃油噴灑口數量、噴灑壓力及需要的進風量，為保證火焰的燃燒狀態達到加熱的預期效果提供充足的數據支持。

2.2 參數顯示子系統

除冰車加熱系統的參數顯示子系統分為狀態界面和參數設置界面。狀態界面用于為操作者提供除冰車鍋爐控制系統的運行參數，包括實際燃燒等級、目標燃燒等級、噴油嘴工作狀態、當前燃油壓力、當前加熱系統中提供的爐內風壓，加熱系統入口待加熱液體溫度、系統出口經加熱液體溫度、流經除冰車加熱系統的實時液體流量以及對應的報警信息，這樣可以直觀地為操作者提供整個加熱系統的狀態展示，快速了解加熱系統當前的運行情況，并能夠在加熱系統運行出現故障時快速查找到問題點，并排除故障。參數設置界面用于為操作者提供加熱系統的參數設置，在不同海拔地區，由于含氧量不同導致燃燒器加熱所需的風量有差異，該界面可以為不同區域提供不同的燃燒參數，保證火焰的燃燒狀態滿足要求。顯示器動畫界面如圖2所示。

2.3 執行機構子系統

除冰車加熱系統的執行機構子系統由多個液壓比例閥、開關電磁閥、燃油預熱裝置、燃油泵、風機、點火電極等機構組成。根據控制器的邏輯控制對噴油嘴的打開關閉及開關順序進行控制，同時控制爐體內的進油量和進風量，使爐膛內的熱量滿足除冰液的加熱需求。

3 加熱系統參數設定

整個加熱系統分為16個階段，其中加熱階段13級、停機階段1級、前吹風階段1級以及后吹風階段1級，能夠滿足最高220 L/min流量情況下，在2～3 min時間內將除冰液加熱到0℃~80℃間任何溫度，并可維持在所需溫度。

圖2 顯示器動畫界面

對于每一個加熱等級都對應了不同的加熱控制參數，按照最大除冰車噴灑流量計算，通過除冰液相關的比熱需求公式，按照一定的加熱效率進行推演，通過不斷試驗得出了能夠匹配所有有效加熱等級的加熱參數，參數對比如表1所示。

表1 多種加熱等級燃油風機配比參數對比表

控制器根據上表中所推算出的風壓、油壓以及噴油嘴打開數量進行精細控制。

4 加熱系統邏輯控制

在加熱系統啟動前，需要保證有高于70 L/min的液體流過加熱系統的管路，否則系統會發出報警，防止系統干燒或者提示流量計故障。當流量滿足加熱要求，且檢測到各個傳感器檢測的信號運行正常后，加熱系統開始啟動加熱程序，風機和燃油泵開始工作，達到預定點火時的風壓值和油壓值，此時為了能夠保證點火成功率，風機向爐膛內供風，并且點火噴油嘴供油管路預熱棒開始加熱，運行14 s后1號噴油嘴電磁閥打開，并且點火電極供電打火，從噴油嘴霧化后的燃油經過電極高壓瞬間點燃，感光傳感器對爐膛內的亮度轉化為數值傳遞給控制器，當火焰持續保持2 s時間，判定點火成功，控制器將根據進出口溫差及當前流量值計算需要的燃燒等級，然后按照跳級的方式快速達到目標燃燒等級。燃燒等級切換示意如圖3所示。

圖3 燃燒等級切換示意圖

通常火焰等級的切換是逐級進行的，從一級跳轉到二級，再跳轉到三級，最終跳轉到目標燃燒等級，但是這樣等級逐一跳轉不僅需要時間，還會在等級切換，尤其是在噴油嘴數量變更的等級切換過程中產生黑煙，出現燃燒不充分現象。為了避免這些問題影響加熱系統工作，筆者設計了跳轉控制方式，但跳轉的等級是有要求的，并不能隨意跳轉。根據表1中對應的燃燒等級、風機風壓、燃油壓力以及噴油嘴工作數量，按照優先同油壓噴油嘴切換原則進行等級切換，再按照同數量噴油嘴逐級切換的原則進行，例如當最終目標等級為13級，加熱系統從點火開始進入1級燃燒火焰，然后直接根據燃油壓力跳轉到5級燃燒火焰，這個切換過程保證油壓穩定，只改變了風機風壓及噴油嘴數量，然后按照這個原則，再通過控制器程序控制燃燒等級跳轉到8級再跳轉到11級，最后在4個噴油嘴工作的情況下，改變風壓和油壓，逐級升高到13級燃燒階段。當火焰等級需要降級處理時，也是滿足油壓不變，只降風壓和噴油嘴的數量來進行降級，例如從13級火焰降到6級，控制器會控制系統先從13級降到10級，然后再降到7級，最終再從7級降到6級。經過實際試驗，這種換級方式不僅可以快速到達目標燃燒等級，還使得切換燃燒等級，尤其是涉及到噴油嘴數量更改的等級切換過程中，出現黑煙的情況有效地得到緩解。

其他系統在使用過程中，一直處于工作狀態，這樣不僅會影響加熱系統的使用壽命，還會造成不必要的能源浪費。由于該系統具有極快的加熱效率，所以在本系統中設計了自動待機功能。當使用者不再為飛機等設備進行除冰作業時，或者長時間處于待命狀態，為了避免上述問題，在除冰液處于低于工作流量狀態并且入口溫度達到一個高溫度狀態后（保證重新開機后不用等待可以直接進行噴灑作業），控制器會控制各個電磁閥及繼電器關閉加熱系統，當使用者將噴灑炮頭重新打開，液體流量再次增大到工作流量后，系統立即重啟加熱，這樣即可保證在高效加熱的情況下還能節省能源，避免浪費。

5 結語

該除冰車加熱控制系統在實際應用中得到了充分的驗證，在整個調試過程中，加熱到最高80℃的目標溫度，加熱速度可控制在3 min之內，并且可以有效地保護加熱系統，當檢測到異常情況，系統會立即停止加熱系統的運行，保證系統工作安全。

但在特殊工況下也會存在參數需要調整的狀況：

a.受惡劣天氣的影響，如大氣壓力變化及風力及風向變化都會對加熱系統的排煙構成一定的影響，會出現少量加熱不充分的情況，排出黑煙；

b.在高海拔地區由于含氧量及沸點變化，需要按照當地的氣候重新標定燃燒參數，否則會出現加熱不充分的情況；

c.由于使用的燃料為柴油，在高寒地區長時間放置會出現點火困難的情況，需要在車庫內保存。

對于上述出現的問題，筆者后續會有針對性地進行完善。