內燃機車柴油機冷卻系統及控制方法

蔡志偉，董志忠，欒寶奇

（中車大連機車車輛有限公司 機車開發部,遼寧大連116022）

柴油機冷卻系統是內燃機車的重要組成部分，對降低燃油消耗率，減少輔助系統功率消耗、提高運行經濟性、改善柴油機排放等方面具有重要意義。受到內燃機車總體設備布局、軸重及輔助系統功率消耗等方面限制，冷卻系統的設計不僅需要考慮輕量化、結構緊湊的散熱器，還要考慮高效的冷卻方式及控制策略。文中主要針對內燃機車柴油機冷卻系統及控制方法進行分析與研究。

1 現有內燃機車柴油機冷卻系統及控制方法

1.1 冷卻系統

傳統的東風系列內燃機車冷卻水系統由高溫水泵、低溫水泵、中冷器、機油熱交換器、散熱器、膨脹水箱等組成，冷卻氣缸套、氣缸蓋等柴油機高溫部件的系統為高溫冷卻水系統，冷卻機油和增壓空氣的冷卻水系統稱為低溫冷卻水系統，機車冷卻系統高、低溫散熱器一般呈前后布置，高、低溫冷卻水系統各用一個冷卻風扇進行單獨控制。

HXN3型內燃機車冷卻系統與傳統東風系列內燃機車冷卻水系統基本相同，區別是采用全封閉式加壓冷卻方式［1］，將機油熱交換器的冷卻設置在高溫冷卻系統中，低溫冷卻系統僅為增壓空氣進行冷卻，進而使低溫水溫度不受機油溫度的影響。通過調節高、低溫冷卻風扇電機的工作頻率，可實現按排放和油耗的不同要求對高、低溫水溫度分別進行控制。

HXN5型內燃機車冷卻系統采用全封閉式加壓冷卻方式，是一種多級散熱器串聯的散熱形式［2］，通過流向控制閥分配散熱器，控制冷卻水系統排放和非排放2種工作模式［3］。在排放模式下，流向控制閥控制低溫冷卻水進入中冷器，為優化排放而對中冷器提供足夠的冷卻能力；在非排放模式下，為優化柴油機高溫部件散熱效率而對柴油機提供最大冷卻能力［4］。冷卻水系統通過水溫調節2個冷卻風扇電機轉速對散熱器進行冷卻。

1.2 控制方法

通過控制冷卻風扇電機轉速，可以實現對柴油機冷卻水溫度的控制。傳統的溫度控制方法有PID閉環控制、閾值控制及模糊控制等。PID溫度閉環控制存在超調量大、滯后時間長等缺點。改進型的PID控制器，比如基于神經網絡的自適應PID控制器及模糊PID控制器等，雖然可以在一定程度上解決超調量大、滯后時間長等問題，但其控制參數仍需要經大量試驗進行調節和整定，實施難度較大。閾值控制法通過設定溫度、溫度差及溫度變化率等參數的閾值，當超過或低于這些閾值時，被控量按照一定的加、減速率加大或減少，該控制方法可保證溫度在設定范圍內變化，但較難實現溫度的恒定控制。模糊控制是基于語言規則與模糊推理的控制理論，其控制算法較為復雜，過程較為繁瑣、工作量大。

2 雙流道散熱干式冷卻系統

2.1 冷卻系統結構

雙流道散熱干式冷卻系統主要由散熱器、膨脹水箱、高溫水泵、低溫水泵、機油熱交換器等部件組成，其原理如圖1所示。散熱器采用雙流道結構，低溫部分在下，高溫部分在上。冷卻風扇氣流先為低溫散熱器冷卻，后為高溫散熱器冷卻。膨脹水箱起到儲水和補水的作用，柴油機起動后膨脹水箱中的水進入高、低溫水冷卻系統參與冷卻循環。柴油機停機后，散熱器中的冷卻水在重力的作用下流回膨脹水箱，散熱器呈干式［5］。

圖1 內燃機車雙流道干式冷卻系統原理圖

2.2 冷卻系統原理

根據柴油機所需冷卻的零部件不同，分為2個冷卻系統，分別是高溫冷卻水系統和低溫冷卻水系統。高溫冷卻水系統冷卻柴油機氣缸套、氣缸蓋及機油熱交換器，也稱柴油機冷卻水系統；低溫冷卻水系統冷卻增壓空氣，也稱中冷水系統。

高溫冷卻水系統原理：高溫水從柴油機高溫部件流出，當高溫水溫度低于溫控閥開啟溫度時，溫控閥關閉，高溫冷卻水經過溫控閥、機油熱交換器，流回高溫水泵，進入柴油機；當高溫水溫度高于溫控閥開啟溫度時，溫控閥開啟，高溫冷卻水經過溫控閥、散熱器高溫部分、機油熱交換器，流回高溫水泵，進入柴油機。

低溫冷卻水系統原理：低溫冷卻水從中冷器流出，當低溫水溫度低于溫控閥開啟溫度時，溫控閥關閉，低溫冷卻水經過溫控閥，流回低溫水泵，進入中冷器；當低溫水溫度高于溫控閥開啟溫度時，溫控閥開啟，低溫冷卻水經過溫控閥、散熱器低溫部分，流回低溫水泵，進入中冷器。

采用雙流道散熱干式冷卻系統，使得冷卻空氣能夠同時冷卻高、低溫散熱器，進而有效提高散熱量，降低輔助系統功率消耗。

3 冷卻系統控制方法

3.1 冷卻水溫度對柴油機工作的影響

冷卻水溫度對柴油機運行的影響很大，冷卻系統的作用是使柴油機在各種工況下保持適當的溫度。高溫冷卻系統直接影響柴油機發熱部件的溫度及熱應力，與柴油機可靠性直接相關。低溫冷卻系統影響柴油機的進氣溫度、進氣量和空燃比，進而影響柴油機的排放。

當冷卻水的溫度過高，會導致機油因受熱黏度降低，各零部件潤滑部位的油膜因此被破壞或者減少，影響潤滑效果，甚至產生積碳、拉缸、零部件失效等問題；當冷卻水的溫度過低，會導致機油黏度增大，流動性能降低，影響潤滑性能，同時由于氣缸內溫度低，氣缸壁內表面還會附著少量水蒸氣，并與燃燒所產生的物質反應腐蝕氣缸壁；當冷卻水溫度來回波動，雖然溫度在可接受范圍之內，但是由于冷熱周期性頻繁變化，依然會對柴油機性能和可靠性產生影響。

3.2 冷卻水溫度控制策略

為了保證柴油機能在理想狀態下工作，避免冷卻水溫度過高或過低是冷卻水溫度控制的原則和目標。在如圖1所示的雙流道干式冷卻系統中，2個冷卻風扇同時具備對高溫水和低溫水的冷卻功能，為了防止風路被部分短路，影響散熱效率，控制系統會通過變頻方式控制2個風扇電機以相同的轉速同步運行，高、低溫水溫度會隨著柴油機功率和冷卻風扇轉速的變化同步升高或下降。

基于上述原理，當高溫水溫度或低溫水溫度高于相應起動閾值，則控制2個冷卻風扇同時啟動至最低設定轉速；當高溫水溫度或低溫水溫度高于相應最高溫度閾值時，控制2個冷卻風扇同步升速到最高設定轉速，否則以高溫水溫度設定值為控制目標，通過基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法，同步控制2個冷卻風扇運行。正常情況下，基于該冷卻水溫度控制策略，高溫水溫度始終被控制在設定目標值，低溫水溫度受不同環境溫度及柴油機負荷影響在一定的范圍內變化。

3.3 軟件設計

通過前文對當前應用比較普遍的幾種溫度控制方法存在問題的分析，文中提出一種基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法，基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制主程序流程圖如圖2所示，其主程序應用定時器1產生20 ms定時中斷，然后周期性按流程圖執行。中斷子程序首先在框1.1關閉定時器1中斷，在框1.2清除定時器1中斷標志；然后進入框1.3，判斷風扇是否已經完成啟動：如果否，則進入框1.5，執行風扇啟動子程序，否則進入框1.4，判斷HT

圖2 基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制主程序流程圖

高溫水溫度閉環控制子程序流程圖如圖3所示，基本程序流程如下：首先在框2.1中檢測高溫水溫度并對其進行濾波處理得到高溫水溫度T；然后在框2.2中判斷時間計數器CT累加值是否大于或等于時間計數器設定值CTSet，如果否，程序結束，如果是，進入框2.3中計算在設定時間步長△t時間內高溫水溫度增量△T，其中△t可根據實際控制需求進行調整，此處為2 s，因此CTSet值設定為100；然后進入框2.4，判斷高溫水溫度增量△T是否大于高溫水溫度增量閾值DLTMax：如果是，則進入框2.5，計算頻率增加量△F，增大輸出頻率F=F+△F，否則進入框2.6，判斷高溫水溫度增量△T是否小于溫度變化率閾值DLTMin：如果是，則進入框2.7執行計算頻率減少量△F，減小輸出頻率F=F-△F，否則進入框2.8，將時間計數器CT清零。在本程序流程中，不同的高溫水溫度范圍下對應的溫度變化閾值DLTMax、DLTMin的選取以及頻率變化量△F的計算是不同的，這些值的選取和計算可以通過判定條件與經驗公式相結合的方式獲得，也可以根據溫度T及溫度增量△T查詢一個預先設計好的二維表，并通過差值算法獲得。

圖3 高溫水溫度閉環控制子程序流程圖

4 雙流道干式冷卻系統及基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法的應用

雙流道干式冷卻系統及基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法已經成功應用于CKD9B型機車，該機車冷卻系統原理與圖1所示原理基本相同，區別在于高、低溫水的溫控閥是柴油機內置的。該冷卻系統散熱器體積小、重量輕、散熱效率高。通過采用文中所述的基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法，可使柴油機在不同負載下的高、低溫水溫度保持穩定，減小了輔助系統能耗，并解決了機車應用過程中出現的冷卻風扇轉速及柴油機高、低溫水溫度周期性波動的問題，可更好的發揮機車柴油機的性能，提高可靠性。

軟件優化前采用閾值法控制的CKD9B型機車冷卻系統穩定性試驗曲線如圖4所示：橫軸為時間，s，上部分實線和虛線分別為柴油機檢測的高溫水溫度及機車控制系統檢測的高溫水溫度，在84~96℃之間變化，此時環境溫度為20℃；在此下方為柴油機轉速曲線，柴油機轉速從1 560 r/m下降到惰轉轉速600 r/m；中部與高溫水溫度以相同周期性變化的實線和虛線分別是柴油機自身檢測的低溫水溫度和機車微機系統檢測的低溫水溫度，在42~55℃之間變化。2個冷卻風扇電機運行頻率在18~80 Hz之間周期性變化。試驗數據表明冷卻風扇的調速性能差，當柴油機轉速和負載率不變時，高、低溫水溫度出現了周期約為300 s、峰值約為12℃的等幅振蕩，柴油機的熱穩定性不好，柴油機性能和可靠性會受到影響。

圖4 基于溫度閾值法控制的CKD9B型機車冷卻系統穩定性試驗曲線

基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法進行軟件優化后的CKD9B型機車冷卻系統穩定性試驗曲線如圖5所示：試驗數據表明冷卻風扇的調試性能明顯改善，在環境溫度為20℃時，高溫水穩定在90℃附近，低溫水溫度穩定在48℃附近，很好的滿足了柴油機對高、低溫水溫度的要求。相對于改進前的軟件，優化后的軟件使輔助逆變器輸出頻率平穩變化，冷卻風扇的轉速波動大幅減小，很大程度上減少了系統沖擊，節約了輔助系統能源消耗。

圖5 基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法的CKD9B型機車冷卻系統穩定性試驗曲線

5 結論

提出的雙流道干式冷卻系統及基于高溫水溫度閉環的冷卻系統控制方法已成功地應用于多種內燃機車，通過在CKD9B內燃機車上的典型應用及數據分析，表明了該冷卻系統冷卻水溫度控制平穩，效果良好，具有較高的實際推廣價值。