基于设备物联的内燃机车运维节能优化研究

崔振江

（中铁十一局集团第三工程有限公司，湖北 十堰）

1 基于设备物联的内燃机车燃油消耗监测

根据欧盟交通运输部的统计，只需排放1.7%的二氧化碳，就能完成10%的货物运输工作，因此，可以认为铁路运输是目前世界上最低碳、最环保的交通与运输方式之一。但内燃机车作为铁路运输中的主要牵引设备，仍存在高耗能的运行缺陷，对此，有必要采取一定的措施，进行内燃机车的节能设计[1]。设计前，将物联网技术作为支撑，进行内燃机车燃油情况的监测。

能耗监控是内燃机车运维工作实施的一项重要指标，此项工作可以为内燃机车的节能设计与研究提供可靠的数据支持。通过对各个反馈环路中的燃料消耗进行监控，对各个子系统的燃料消耗以及节能潜力进行深度分析，以便能够及时找到内燃机车存在的高耗能问题，并及时采取措施，予以解决，使能源利用达到最大化，从而实现整体能耗的控制。

在此过程中应明确，物联网是集数据信息收集、传播、交互等行为为一体的信息管理方式，将各类信息通过传感器采集后接入网络，可以实现人机之间的泛在互联，从而实现对内燃机车生产与作业过程的精准感知。可以将物联网划分为感知结构层、网络连通层、平台层和应用程序层。用户利用各种信息感测设备，收集与之相关的信号和数据，再利用底层的用户协议，将物品和网络连接起来，从而达到对各种信息进行归类、整理和交换的目的[2]。

精确计量是内燃机车在运行中燃油消耗计量与统计的关键技术与核心技术保障，通常情况下，内燃机车的油箱容量在8 000 L，油箱的刻度尺寸为100 L，而针对油箱的数值，大多采用人工的方式进行观测。观测方式见图1。

图1 内燃机车的油箱剩余油量观测

从图1 可以看出，无论是第一种或是第三种观测方法，都会造成油箱剩余油量观测结果与实际存在偏差，只有采用平视的方式，按照第二种方式进行油箱剩余油量观测，才能使读数具有较强的客观性[3]。但在实际观测中，油箱剩余油量观测结果仍会受到多种因素的影响出现偏差，因此，可以在上述内容的基础上，辅助物联网技术与传感器感知技术，进行油箱剩余油量的观测与计量，以此种方式，为燃油消耗的客观记录与分析提供依据。

为满足上述需求，引进压力采集法，设计内燃机车的油耗数字化监测方案，见图2。

图2 内燃机车的油耗数字化监测方案

压力采集方法的工作原理是，在内燃机车的油箱原有机械油尺底部装有一台高灵敏度的压力传感器，通过传感器，探测油箱内燃油压力的变化，从而推算出燃油的消耗量，通过上述步骤，能够准确地反映出一个取样循环内的燃油消耗情况，从而判断出偷、漏油等机车在异常状况下的燃油消耗值。根据现有的大量实践可以证明，此种方法在实际应用中，不会受到内燃机车内油箱温度的影响[4]。且与流量测量法相比，该方法在使用时无累计误差，且当传感器发生故障时，不影响供油回路正常工作，具有较高的可靠性、准确度。同时，此方法在安全性、可靠性、测量精度、安装方便以及性能价格比等方面具有无可比拟的优越性，是一种满足本文研究需要的燃料消耗量测量手段。

在此基础上，由于油箱体积、高度两者之间是存在一定非线性关系的，因此，为了精确地收集内燃机车消耗燃料的体积，需要建立一个燃料压力和燃料体积的对应表格，并用查表法来计算燃料体积[5]。由于机车运行状态复杂，燃料变化剧烈，因此从压力传感器中获得的燃料残存压力必须经过滤波、模数转换等处理，再由查表计算出相应的燃料体积，从而达到燃料体积的实时显示目的。对任意两个取样点的油量进行计算，就可以得到两个取样点的油量，通常情况下，取样时间最短为1 分钟。完成测量的数据，将通过物联网传送到数据中心，以此实现并完成内燃机车燃油消耗监测。

2 基于能耗监测计算的内燃机车热力状态评价

根据上述内容，完成对内燃机运维过程中的监测。结合监测结果，通过计算对内燃机车热力状态进行评价。内燃机车的工况参数以n 和Ne为代表，内燃机车的工作性能主要通过动力性和经济性两方面指标描述。其中，前者表示内燃机车在单位运行时间内输出的功率，输出功率定义为Ne；后者表示内燃机车在单位运行时间内输出一定功率时消耗的燃油量，将消耗燃油量定义为ge。其中，Ne可以通过下述公式计算得出：

式中，i 代表内燃机车中气缸的数量，Pe代表内燃机车平均有效压力，Vh代表气缸工作体积，n 代表曲轴转动速度，τ代表冲程数，通常情况下一般内燃机车中柴油机为四冲程，因此τ的取值为4。ge可以通过下述公式计算得出：

式中，GT代表内燃机车每小时需要消耗的燃油量，ey代表在某一转速条件下内燃机车燃油机单位消耗燃油量，t 代表运行时间。从公式（1）中，如果某一具体的柴油机气缸数，平均有效压力，气缸工作体积，以及行程数都是恒定的，则柴油机的输出功率与速度成比例。然后，从式（2）中可以看到，在柴油机的转速保持不变的情况下，由于其输出功率是不变的，因此相应的燃油消耗率与在此转速条件下的柴油机单位燃油消耗量成正比。因而，在一定的速度工况下，发动机的单位油耗就可以作为发动机油耗的指标[6]。由于柴油机的转速波动较大，很难精确地测定和估算柴油机的燃油消耗速率及单位燃油消耗，因此，可以通过柴油机的转速、相应的单位燃油消耗等，来推算一段时间的理论燃油消耗，并与该段时间的实际燃油消耗相比较。

为实现对内燃机车热力学状态的更直观评价，结合下述公式，计算得出内燃机车理论油耗量：

式中，E理代表内燃机理论油耗量。e（t）代表在不同速度和不同转速的条件下，单位时间内消耗的燃油量。通过分析和比较燃料实际消耗和理论消耗的变化趋势和偏差值，实现了柴油机燃料消耗的科学计算，并根据燃料消耗的偏差率，有针对性地调节柴油机的热力状态，保证了柴油机的热力状态良好，降低了柴油机的油耗。在内燃机车运行的过程中，将实际油耗量与上述通过计算得出的E 理值进行对比，若实际油耗量数值更大，则说明该内燃机车在运行的过程中不具备节能性；若E理值更大，则说明该内燃机车在运行过程中具备节能性。

3 基于评价结果的内燃机车运维节能优化

3.1 基于单位能耗计算的运输组织优化

根据上述评价结果，针对不具备节能性的内燃机车的运维节能进行优化。内燃机车在运行的过程中，其阻力构成较为复杂，并且是一个非线性的随机过程，对其基本阻力的计算，可根据经验公式Daivs 方程计算得出：

式中，w0代表内燃机车阻力，a 代表基准阻力参数，b代表滚动时产生的阻力，c 代表空气中产生的阻力，v（t）代表内燃机车的运行速度。从交通组织的观点出发，运用内燃机车的燃油消耗可划分为牵引燃油消耗、单引擎燃油消耗、段内停留和站内停留的燃油消耗。内燃机车的燃料消耗量e 根据以下公式：

式中，Ea代表内燃机车运行期间燃油消耗，Eb代表内燃机车非运行期间燃油消耗，G 代表牵引总质量，L 代表单机牵引区段长度。在对交通组织与生产的各个环节的调研中，通过对其进行分析，发现其在运输组织、制造等方面的问题。通过优化运输组织，制定并落实相应的对策和措施，降低单机走行和有动力停留等辅助作业，根据牵引定数，合理安排列车编组，降低内燃机车单位燃油消耗。

3.2 基于牵引功耗计算的节能操纵优化

内燃机车的运行控制可分为牵引、惰行和制动三种情况。其中牵引和制动并不是直接切换，也不同时存在，惰行工况通常出现在下坡或停车时。在牵引时，内燃机车可以利用牵引动力克服机车在前行过程中的阻力，见图3。

图3 内燃机车牵引工况受力状态

在制动工况下，内燃机车可以充分利用施加在轮周制动力迫使机车降速或停车，见图4。

图4 内燃机车制动工况受力状态

根据上述分析，确定内燃机车牵引功耗的方程为：

式中，E 代表内燃机车的牵引功耗，M 代表内燃机车的总质量，vs代表内燃机车在运行到某一位置s 时的速度，ds代表阻力方程基本参数，vi0代表内燃机车在第i 次制动时的初始速度，vi代表内燃机车在第i 次制动时的结束速度，Δh 代表内燃机车起始位置高度差。在内燃机车运行中，机车阻力是始终存在的，而这一部分的能量消耗又是机车牵引能量消耗的主要来源。内燃机车能耗水平将以速度为主导，而对操作水平的控制是影响内燃机车燃料消耗的关键。为保证内燃机车的安全行驶，在内燃机车全程行驶中，不可避免地要有调速制动和制动停车。根据内燃机车的牵引功耗组成可知，制动次数、制动时间、制动及缓解时内燃机车实时速度都是影响制动能耗的主要因素，所以，通过对制动时机的准确判断，可以有效地减少该功率损耗。最后，当内燃机车在坡道上运行时，应当恰当利用重力势能转换的优势，以此减少牵引做功，达到节能目的和效果。

结束语

由于内燃机车具有较强的适应性和灵活性，因此，内燃机车在铁路交通中占有十分重要的地位，但是由于内燃机车的工作机制和我国的资源现状存在矛盾，加上日益严重的环保问题，因此，进行内燃机车节能降耗体系的优化研究，减少机车运行的燃料消耗，对于在运营线路的降本增效具有重要的作用，同时，落实此项工作，对于推进新开通的铁路运营专用线、中非铁路运输合作而言具有重要的作用。为满足此方面需求，上文基于设备物联角度对此展开了研究。希望此次的研究成果在正式投入市场使用后，可以在真正意义上为内燃机车的安全、可靠、节能、环保运行提供技术指导，以此种方式，进一步带动我国铁路运输产业的持续化发展。