目前,國內(nèi)運(yùn)用的東風(fēng)4 型系列內(nèi)燃機(jī)車均采用蓄電池供電的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)柴油機(jī)起動(dòng),由于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)功能簡單,并且受人為因素、蓄電池狀態(tài)、時(shí)間繼電器滯后等問題的影響,經(jīng)常導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)困難,蓄電池虧電,柴油機(jī)燃燒狀態(tài)不良等問題的發(fā)生,尤其在我國北方地區(qū)寒冷的冬季,蓄電池虧電和柴油機(jī)起動(dòng)困難已經(jīng)成為困擾機(jī)務(wù)部門的難題之一。運(yùn)用PCC 技術(shù)對機(jī)車柴油機(jī)的起動(dòng)過程進(jìn)行智能控制,可以改善柴油機(jī)的起動(dòng)過程,減少起動(dòng)時(shí)蓄電池能量的消耗,改善柴油機(jī)的燃燒狀態(tài),從而達(dá)到提高機(jī)車機(jī)動(dòng)性、降低燃油消耗、減少有害物質(zhì)排放的目的。

1 　機(jī)車柴油機(jī)起動(dòng)的現(xiàn)狀

　　現(xiàn)以東風(fēng)4C 型機(jī)車為例說明柴油機(jī)起動(dòng)中存在的問題,該機(jī)車上設(shè)有繼電器、接觸器等有觸點(diǎn)電器組成的邏輯柴油機(jī)起動(dòng)控制電路,電路功能簡單,故障功率較高,無法實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)起動(dòng)過程的優(yōu)化控制。 機(jī)車上裝有起動(dòng)機(jī)油泵專門負(fù)責(zé)在起動(dòng)過程中向柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)件提供潤滑油,在柴油機(jī)起動(dòng)前起動(dòng)機(jī)油泵需提前45～60s 工作,燃油泵需要提前10s 左右向柴油機(jī)提供燃油,提前供機(jī)油是為了防止柴油機(jī)在長時(shí)間停機(jī)后起動(dòng)時(shí),其各運(yùn)動(dòng)部件因缺油而拉傷;燃油泵提前工作則是為高壓油泵正常工作提供必要的燃油壓力。 起動(dòng)機(jī)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不能過長,否則會(huì)消耗大量的蓄電池能量,不利于柴油機(jī)的起動(dòng)1 起動(dòng)電機(jī)和燃油泵為同步控制,其起動(dòng)電路圖如圖1 所示。

圖1 　東風(fēng)4 型機(jī)車柴油機(jī)起動(dòng)電路原理圖

　　從圖中可以看出,柴油機(jī)起動(dòng)必須具備三個(gè)條件:一是燃油的供給;二是運(yùn)動(dòng)部件潤滑;三是蓄電池要有足夠的能量驅(qū)動(dòng)起動(dòng)電機(jī),使柴油機(jī)達(dá)到一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。 在整個(gè)起動(dòng)過程中,對起動(dòng)電機(jī)和噴油泵供油齒條的控制都是通過起動(dòng)接觸器QC 來實(shí)現(xiàn)的。這種控制方法存在如下缺陷:
　?、挪捎糜杏|點(diǎn)電器組成控制電路,功能單一,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率高,無法滿足柴油機(jī)起動(dòng)過程的優(yōu)化控制,與現(xiàn)代的科技發(fā)展水平不相適應(yīng)。

　?、撇倏v人員必須通過觀察判斷柴油機(jī)起動(dòng)成功與否來控制起動(dòng)過程。 為此,起動(dòng)時(shí)操作人員必須通過柴油機(jī)的聲音、轉(zhuǎn)速及機(jī)油壓力等來判斷其起動(dòng)情況,并通過起動(dòng)按鈕控制起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài),如果控制不當(dāng),可能造成柴油機(jī)起動(dòng)失敗,或因起動(dòng)電機(jī)工作時(shí)間過長,蓄電池過放而無法繼續(xù)起動(dòng),這就要求操作人員具備較高的素質(zhì)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。

　　⑶向氣缸內(nèi)噴油過早。 在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí),噴油壓力亦較低,噴油器的噴油質(zhì)量很差,燃油不能與空氣充分混合,拖延點(diǎn)火轉(zhuǎn)速,從而導(dǎo)致起動(dòng)能耗高,排煙量大,甚至爆燃。

　?、仍诓裼蜋C(jī)已經(jīng)發(fā)火后,蓄電池繼續(xù)向起動(dòng)電機(jī)供電,造成蓄電池過放,影響蓄電池的壽命。

　　⑸如果柴油機(jī)不能正常點(diǎn)火,長時(shí)間按住起動(dòng)按鈕,將造成起動(dòng)接觸器燒損、蓄電池虧電等故障。
因此,對柴油機(jī)的起動(dòng)過程進(jìn)行優(yōu)化控制是十分必要的。

2 　應(yīng)用于機(jī)車控制的優(yōu)越性

　　可編程計(jì)算機(jī)控制器(Programmable Computer Controller) 是以微處理器為核心的通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置,它完全可以取代繼電器邏輯控制裝置,不僅能方便地處理開關(guān)量和模擬量,還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算處理等功能。PCC 配有大容量的存貯器,通過軟件編程代替常規(guī)的繼電器邏輯控制功能,可使控制系統(tǒng)智能化,并具有體積小、重量輕、速度快、可靠性高和易調(diào)試等特點(diǎn)。 同時(shí)還能適應(yīng)高低溫、沖擊振動(dòng)、電磁干擾、電源波動(dòng)等較惡劣的工作環(huán)境。 奧地利貝加萊公司生產(chǎn)的B&R2000PCC 系列產(chǎn)品是在電源、功能、安全操作方面達(dá)到國際先進(jìn)水平的產(chǎn)品。

2. 1 　基于PCC 的機(jī)車柴油機(jī)起動(dòng)優(yōu)化控制

　　針對目前柴油機(jī)起動(dòng)過程中的缺陷和不足,可以將其起動(dòng)過程按時(shí)間展開,進(jìn)行編程控制,以PCC 為核心組成控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過程的檢測和智能控制。
　　
　　柴油機(jī)的起過程大致可分為四個(gè)階段,即準(zhǔn)備、柴油機(jī)被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)、發(fā)火和建立油壓后穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。準(zhǔn)備階段主要是預(yù)供機(jī)油和燃油1 東風(fēng)4C 型機(jī)車采用45～60s 延時(shí)控制燃油泵和機(jī)油泵運(yùn)轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)前預(yù)先向機(jī)油系統(tǒng)供油。 根據(jù)起動(dòng)過程的不同階段,對現(xiàn)有柴油機(jī)起動(dòng)過程中存在的問題,可逐步優(yōu)化解決。

2. 2 　起動(dòng)接觸器(QC) 的控制

　　在柴油機(jī)起動(dòng)過程中,起動(dòng)接觸器(QC) 得電與否,應(yīng)取決于柴油機(jī)管路內(nèi)的油壓狀況。 理想情況下,應(yīng)取機(jī)油壓力和燃油壓力作為控制信號,這樣在首次起動(dòng)時(shí),如果因油泵、管路或其它部分出現(xiàn)故障,致使機(jī)油和燃油壓力達(dá)不到要求的范圍,將不會(huì)使起動(dòng)接觸器閉合起動(dòng)柴油機(jī)。 而目前在起動(dòng)過程中,按下起動(dòng)按鈕1QA 起動(dòng)機(jī)油泵開始工作,并經(jīng)45～60s 延時(shí)后,主要靠人為觀測機(jī)油壓力表和燃油壓表判斷壓力是否滿足要求,并確定是否停止起動(dòng)。從某種程度上講,可以說現(xiàn)有的起動(dòng)控制邏輯是基于在45～60s的延時(shí)時(shí)間內(nèi),油壓一定會(huì)建立起來這種假設(shè)下,對起動(dòng)接觸器QC 進(jìn)行控制的。 由于機(jī)油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的狀態(tài)差別較大,建立起機(jī)油和燃油壓力的時(shí)間亦不相同,因此,上述假設(shè)不符合實(shí)際,無法保證控制的精確性。 為此,可采用壓力傳感器測量機(jī)油和燃油壓力,并將有關(guān)信號通過模擬通道輸入到PCC 相應(yīng)的模塊中,由PCC 根據(jù)設(shè)定的壓力范圍進(jìn)行判斷,并控制QC 的動(dòng)作。

2. 3 　起動(dòng)電機(jī)(QD) 的優(yōu)化控制
　　
　　柴油機(jī)起動(dòng)成功與否,關(guān)鍵在于柴油機(jī)是否點(diǎn)火,作為起動(dòng)的終止應(yīng)受控于柴油機(jī)發(fā)火轉(zhuǎn)速,如果因?yàn)槟撤N原因不能正常起動(dòng),則應(yīng)自動(dòng)停止起動(dòng),以減少蓄電池的放電量和避免起動(dòng)接觸器(QC) 燒死。 正常情況下,東風(fēng)4 型系列機(jī)車柴油機(jī)起動(dòng)時(shí),點(diǎn)火轉(zhuǎn)速在150 r/ min 左右,最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為430 r/ min。如果采取轉(zhuǎn)速傳感器測出柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速,并將轉(zhuǎn)速信號輸入到PCC 中,由PCC 根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制QC 的通/斷,即控制蓄電池向起動(dòng)電機(jī)供電;一方面可節(jié)省蓄電池的電能,有利于延長蓄電池的壽命;另一方面,電動(dòng)機(jī)由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)椴裼蜋C(jī)的負(fù)載,可降低柴油機(jī)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊。

2. 4 　對電磁聯(lián)鎖DLS 的供電控制

　　在柴油機(jī)起動(dòng)過程中,如果在低轉(zhuǎn)速階段過早的向氣缸內(nèi)噴油將產(chǎn)生許多不良后果,一方面由于壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力較低,另一方面由于噴壓力低,燃油霧化不良,不能與空氣充分混合形成可燃混合氣,使得噴入的燃油不能完全燃燒,甚至根本不燃燒;同時(shí),還會(huì)降低燃燒室內(nèi)的溫度,從而造成起動(dòng)困難,甚至爆燃。 因此,對起動(dòng)接觸器及調(diào)速器內(nèi)DLS 電磁聯(lián)鎖線圈根據(jù)柴油機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速單獨(dú)進(jìn)行供電控制是十分必要的。 這樣,可在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)火轉(zhuǎn)速后,再拉動(dòng)噴油泵供油齒條,從而達(dá)到在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻開始向氣缸內(nèi)噴油的目的。

　　鑒于當(dāng)柴油機(jī)由起動(dòng)電機(jī)(QD) 拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時(shí)向氣缸內(nèi)噴油最有利于柴油機(jī)點(diǎn)火,故DLS 線圈通電與否應(yīng)取決于柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速。 不同的柴油機(jī)或同一柴油機(jī)在不同的工作環(huán)境和狀態(tài)下,其點(diǎn)火轉(zhuǎn)速是不同的。 而影響點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的因素主要有氣缸內(nèi)的溫度和壓力、氧氣含量及燃油的霧化狀態(tài)等,影響氣缸內(nèi)溫度的主要因素為油水溫度,夏季柴油機(jī)油水溫度高,所以容易起動(dòng);反之,柴油機(jī)冬季則起動(dòng)困難,所以可在檢測油水溫度的前提下,對DLS 電磁聯(lián)鎖線圈進(jìn)行優(yōu)化控制。

3 　柴油機(jī)起動(dòng)PCC 控制器的邏輯設(shè)計(jì)及流程

3. 1 　控制電路

　　由上述分析可知,在柴油機(jī)起動(dòng)時(shí),可以通過對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、燃油壓力、及油水溫度的檢測,由PCC 對檢測到的信號進(jìn)行快速運(yùn)算、處理和智能判斷,確定合理的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速,并對起動(dòng)接觸器、DLS 線圈等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖2 　柴油機(jī)起動(dòng)PCC 控制接線簡圖          圖3 　起動(dòng)流程圖

　　
　　采用PCC 作為柴油機(jī)起動(dòng)控制的核心,其接線簡圖如圖2 所示。 由圖中可以看出,與原有的控制方法相比,減少了時(shí)間繼電器1SJ ,由PCC 內(nèi)部的軟繼電器來實(shí)現(xiàn),增加了轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。 該電路實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)延時(shí)控制,蓄電池供電控制、供油齒條控制以及油壓保護(hù)電路與起動(dòng)電路的分離。
　　
　　在上述過程中,連接到模擬量輸入接線端的模擬信號經(jīng)過模塊內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

3. 2 　起動(dòng)流程
　　
　　根據(jù)柴油機(jī)起動(dòng)過程中控制信號的工作次序,其起動(dòng)流程如圖3 所示。
　　
　　在起動(dòng)過程中,計(jì)時(shí)環(huán)節(jié)由PCC 內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn),以防止長期按住1QA 造成QC(起動(dòng)接觸器)燒損情況的發(fā)生。

3. 3 　點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的確定

　　柴油機(jī)起動(dòng)的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速,可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩　轉(zhuǎn)速的變化而定,東風(fēng)4 型機(jī)車阻力特性、運(yùn)動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩、電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、加<