内燃机车柴油机冷却系统及控制方法

2021-07-12蔡志伟董志忠栾宝奇

铁道机车车辆 2021年3期

蔡志伟，董志忠，栾宝奇

（中车大连机车车辆有限公司机车开发部,辽宁大连116022）

柴油机冷却系统是内燃机车的重要组成部分，对降低燃油消耗率，减少辅助系统功率消耗、提高运行经济性、改善柴油机排放等方面具有重要意义。受到内燃机车总体设备布局、轴重及辅助系统功率消耗等方面限制，冷却系统的设计不仅需要考虑轻量化、结构紧凑的散热器，还要考虑高效的冷却方式及控制策略。文中主要针对内燃机车柴油机冷却系统及控制方法进行分析与研究。

1 现有内燃机车柴油机冷却系统及控制方法

1.1 冷却系统

传统的东风系列内燃机车冷却水系统由高温水泵、低温水泵、中冷器、机油热交换器、散热器、膨胀水箱等组成，冷却气缸套、气缸盖等柴油机高温部件的系统为高温冷却水系统，冷却机油和增压空气的冷却水系统称为低温冷却水系统，机车冷却系统高、低温散热器一般呈前后布置，高、低温冷却水系统各用一个冷却风扇进行单独控制。

HXN3型内燃机车冷却系统与传统东风系列内燃机车冷却水系统基本相同，区别是采用全封闭式加压冷却方式［1］，将机油热交换器的冷却设置在高温冷却系统中，低温冷却系统仅为增压空气进行冷却，进而使低温水温度不受机油温度的影响。通过调节高、低温冷却风扇电机的工作频率，可实现按排放和油耗的不同要求对高、低温水温度分别进行控制。

HXN5型内燃机车冷却系统采用全封闭式加压冷却方式，是一种多级散热器串联的散热形式［2］，通过流向控制阀分配散热器，控制冷却水系统排放和非排放2种工作模式［3］。在排放模式下，流向控制阀控制低温冷却水进入中冷器，为优化排放而对中冷器提供足够的冷却能力；在非排放模式下，为优化柴油机高温部件散热效率而对柴油机提供最大冷却能力［4］。冷却水系统通过水温调节2个冷却风扇电机转速对散热器进行冷却。

1.2 控制方法

通过控制冷却风扇电机转速，可以实现对柴油机冷却水温度的控制。传统的温度控制方法有PID闭环控制、阈值控制及模糊控制等。PID温度闭环控制存在超调量大、滞后时间长等缺点。改进型的PID控制器，比如基于神经网络的自适应PID控制器及模糊PID控制器等，虽然可以在一定程度上解决超调量大、滞后时间长等问题，但其控制参数仍需要经大量试验进行调节和整定，实施难度较大。阈值控制法通过设定温度、温度差及温度变化率等参数的阈值，当超过或低于这些阈值时，被控量按照一定的加、减速率加大或减少，该控制方法可保证温度在设定范围内变化，但较难实现温度的恒定控制。模糊控制是基于语言规则与模糊推理的控制理论，其控制算法较为复杂，过程较为繁琐、工作量大。

2 双流道散热干式冷却系统

2.1 冷却系统结构

双流道散热干式冷却系统主要由散热器、膨胀水箱、高温水泵、低温水泵、机油热交换器等部件组成，其原理如图1所示。散热器采用双流道结构，低温部分在下，高温部分在上。冷却风扇气流先为低温散热器冷却，后为高温散热器冷却。膨胀水箱起到储水和补水的作用，柴油机起动后膨胀水箱中的水进入高、低温水冷却系统参与冷却循环。柴油机停机后，散热器中的冷却水在重力的作用下流回膨胀水箱，散热器呈干式［5］。

图1 内燃机车双流道干式冷却系统原理图

2.2 冷却系统原理

根据柴油机所需冷却的零部件不同，分为2个冷却系统，分别是高温冷却水系统和低温冷却水系统。高温冷却水系统冷却柴油机气缸套、气缸盖及机油热交换器，也称柴油机冷却水系统；低温冷却水系统冷却增压空气，也称中冷水系统。

高温冷却水系统原理：高温水从柴油机高温部件流出，当高温水温度低于温控阀开启温度时，温控阀关闭，高温冷却水经过温控阀、机油热交换器，流回高温水泵，进入柴油机；当高温水温度高于温控阀开启温度时，温控阀开启，高温冷却水经过温控阀、散热器高温部分、机油热交换器，流回高温水泵，进入柴油机。

低温冷却水系统原理：低温冷却水从中冷器流出，当低温水温度低于温控阀开启温度时，温控阀关闭，低温冷却水经过温控阀，流回低温水泵，进入中冷器；当低温水温度高于温控阀开启温度时，温控阀开启，低温冷却水经过温控阀、散热器低温部分，流回低温水泵，进入中冷器。

采用双流道散热干式冷却系统，使得冷却空气能够同时冷却高、低温散热器，进而有效提高散热量，降低辅助系统功率消耗。

3 冷却系统控制方法

3.1 冷却水温度对柴油机工作的影响

冷却水温度对柴油机运行的影响很大，冷却系统的作用是使柴油机在各种工况下保持适当的温度。高温冷却系统直接影响柴油机发热部件的温度及热应力，与柴油机可靠性直接相关。低温冷却系统影响柴油机的进气温度、进气量和空燃比，进而影响柴油机的排放。

当冷却水的温度过高，会导致机油因受热黏度降低，各零部件润滑部位的油膜因此被破坏或者减少，影响润滑效果，甚至产生积碳、拉缸、零部件失效等问题；当冷却水的温度过低，会导致机油黏度增大，流动性能降低，影响润滑性能，同时由于气缸内温度低，气缸壁内表面还会附着少量水蒸气，并与燃烧所产生的物质反应腐蚀气缸壁；当冷却水温度来回波动，虽然温度在可接受范围之内，但是由于冷热周期性频繁变化，依然会对柴油机性能和可靠性产生影响。

3.2 冷却水温度控制策略

为了保证柴油机能在理想状态下工作，避免冷却水温度过高或过低是冷却水温度控制的原则和目标。在如图1所示的双流道干式冷却系统中，2个冷却风扇同时具备对高温水和低温水的冷却功能，为了防止风路被部分短路，影响散热效率，控制系统会通过变频方式控制2个风扇电机以相同的转速同步运行，高、低温水温度会随着柴油机功率和冷却风扇转速的变化同步升高或下降。

基于上述原理，当高温水温度或低温水温度高于相应起动阈值，则控制2个冷却风扇同时启动至最低设定转速；当高温水温度或低温水温度高于相应最高温度阈值时，控制2个冷却风扇同步升速到最高设定转速，否则以高温水温度设定值为控制目标，通过基于高温水温度闭环的冷却系统控制方法，同步控制2个冷却风扇运行。正常情况下，基于该冷却水温度控制策略，高温水温度始终被控制在设定目标值，低温水温度受不同环境温度及柴油机负荷影响在一定的范围内变化。

3.3 软件设计

通过前文对当前应用比较普遍的几种温度控制方法存在问题的分析，文中提出一种基于高温水温度闭环的冷却系统控制方法，基于高温水温度闭环的冷却系统控制主程序流程图如图2所示，其主程序应用定时器1产生20 ms定时中断，然后周期性按流程图执行。中断子程序首先在框1.1关闭定时器1中断，在框1.2清除定时器1中断标志；然后进入框1.3，判断风扇是否已经完成启动：如果否，则进入框1.5，执行风扇启动子程序，否则进入框1.4，判断HT

图2 基于高温水温度闭环的冷却系统控制主程序流程图

高温水温度闭环控制子程序流程图如图3所示，基本程序流程如下：首先在框2.1中检测高温水温度并对其进行滤波处理得到高温水温度T；然后在框2.2中判断时间计数器CT累加值是否大于或等于时间计数器设定值CTSet，如果否，程序结束，如果是，进入框2.3中计算在设定时间步长△t时间内高温水温度增量△T，其中△t可根据实际控制需求进行调整，此处为2 s，因此CTSet值设定为100；然后进入框2.4，判断高温水温度增量△T是否大于高温水温度增量阈值DLTMax：如果是，则进入框2.5，计算频率增加量△F，增大输出频率F=F+△F，否则进入框2.6，判断高温水温度增量△T是否小于温度变化率阈值DLTMin：如果是，则进入框2.7执行计算频率减少量△F，减小输出频率F=F-△F，否则进入框2.8，将时间计数器CT清零。在本程序流程中，不同的高温水温度范围下对应的温度变化阈值DLTMax、DLTMin的选取以及频率变化量△F的计算是不同的，这些值的选取和计算可以通过判定条件与经验公式相结合的方式获得，也可以根据温度T及温度增量△T查询一个预先设计好的二维表，并通过差值算法获得。

图3 高温水温度闭环控制子程序流程图

4 双流道干式冷却系统及基于高温水温度闭环的冷却系统控制方法的应用

双流道干式冷却系统及基于高温水温度闭环的冷却系统控制方法已经成功应用于CKD9B型机车，该机车冷却系统原理与图1所示原理基本相同，区别在于高、低温水的温控阀是柴油机内置的。该冷却系统散热器体积小、重量轻、散热效率高。通过采用文中所述的基于高温水温度闭环的冷却系统控制方法，可使柴油机在不同负载下的高、低温水温度保持稳定，减小了辅助系统能耗，并解决了机车应用过程中出现的冷却风扇转速及柴油机高、低温水温度周期性波动的问题，可更好的发挥机车柴油机的性能，提高可靠性。

软件优化前采用阈值法控制的CKD9B型机车冷却系统稳定性试验曲线如图4所示：横轴为时间，s，上部分实线和虚线分别为柴油机检测的高温水温度及机车控制系统检测的高温水温度，在84~96℃之间变化，此时环境温度为20℃；在此下方为柴油机转速曲线，柴油机转速从1 560 r/m下降到惰转转速600 r/m；中部与高温水温度以相同周期性变化的实线和虚线分别是柴油机自身检测的低温水温度和机车微机系统检测的低温水温度，在42~55℃之间变化。2个冷却风扇电机运行频率在18~80 Hz之间周期性变化。试验数据表明冷却风扇的调速性能差，当柴油机转速和负载率不变时，高、低温水温度出现了周期约为300 s、峰值约为12℃的等幅振荡，柴油机的热稳定性不好，柴油机性能和可靠性会受到影响。

图4 基于温度阈值法控制的CKD9B型机车冷却系统稳定性试验曲线

基于高温水温度闭环的冷却系统控制方法进行软件优化后的CKD9B型机车冷却系统稳定性试验曲线如图5所示：试验数据表明冷却风扇的调试性能明显改善，在环境温度为20℃时，高温水稳定在90℃附近，低温水温度稳定在48℃附近，很好的满足了柴油机对高、低温水温度的要求。相对于改进前的软件，优化后的软件使辅助逆变器输出频率平稳变化，冷却风扇的转速波动大幅减小，很大程度上减少了系统冲击，节约了辅助系统能源消耗。