内燃机车柴油机冷却系统及控制方法

内燃机车柴油机冷却系统及控制方法

曲华东

包钢股份工程服务公司 内蒙古包头市014010

摘要：冷却系统是机车柴油机充分发挥其大功率的重要保证，一旦其出现问题或故障，柴油机将无法正常运行，甚至危害机车的行车安全，给运输生产带来极大安全隐患。基于此，本文详细探讨了内燃机车柴油机冷却系统及控制方法。

关键词：内燃机车；柴油机；冷却系统；控制

柴油机冷却系统是内燃机车重要部分，对降低油耗和辅助系统功耗、提高运行经济性、改善柴油机排放等意义重大。受内燃机车总体设备布局、轴重和辅助系统功耗限制，冷却系统的设计要考虑轻质紧凑的散热器，还要考虑高效的冷却方式和控制策略。

一、冷却系统原理

冷却系统旨在使柴油机在所有工况下保持在适当温度范围内，防止柴油机过热或过冷。内燃机车柴油机冷却系统分为高、低温循环水系统，高温循环水系统水经高温水泵加压后，用于冷却气缸套、气缸盖、增压器等部件，进入高温水散热器及燃油预热器、司机室热风机，经由逆止阀回到高温水泵，形成循环；低温循环水系统水经低温水泵加压后，用于冷却中冷器、机油热交换器，冷却机油、静液压油等，进入低温水散热器、静液压油热交换器，经由逆止阀回到低温水泵，形成循环。柴油机各部件的热量经冷却系统，在冷却间由散热器散热单节将大部分热量传递给空气，保证柴油机等各部件能及时冷却，处在最佳工作温度下。

二、现有内燃机车柴油机冷却系统和控制方法

1、冷却系统。传统东风内燃机车冷却水系统由高低温水泵、中冷器、机油热交换器、散热器、膨胀水箱等构成，冷却气缸套、气缸盖等高温部件系统为高温冷却水系统，冷却机油、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布置在前后，高低温冷却水系统分别由冷却风扇控制。

HXN3内燃机车冷却系统与传统东风内燃机车基本相同，不同处在于采用全封闭加压冷却方式，机油热交换器冷却设置在高温冷却系统中，低温冷却系统仅用于增压空气冷却，所以低温水温不受油温影响。通过调节高低温冷却风扇电机工作频率，可根据不同排放及油耗要求分别控制高低温水温。

HXN5内燃机车冷却系统采用全封闭加压冷却方式，多级散热器串联散热，散热器通过流向控制阀分配，控制冷却水系统排放、非排放工作模式。排放模式下，流向控制阀控制低温冷却水进入中冷器，为中冷器提供足够的冷却能力，以优化排放；非排放模式下，提供柴油机的最大冷却能力，以优化柴油机高温部件散热效率。冷却水系统通过水温调节两个冷却风扇的电机转速来冷却散热器。

2、控制方法。经控制冷却风扇电机转速，控制柴油机冷却水温度。传统温度控制方法包括PID闭环控制、阈值控制、模糊控制等。PID温度闭环控制存在超调量大、延时长等缺点。改进的PID控制器，如基于神经网络的自适应PID控制器和模糊PID控制器等，在一定程度上虽可解决超调量大、滞后时间长问题，但其控制参数仍需通过大量试验调节、整定，难以实施。阈值控制法经设置温度、温差、温度变化率等参数阈值，当超过或低于这些阈值时，控制量根据一定加减速率增加或减少，其能保证温度在设定范围内变化，但很难实现恒温控制。模糊控制是一种基于语言规则和模糊推理的控制理论，其控制算法复杂，过程繁琐，工作量大。

三、双流道散热干式冷却系统

1、冷却系统结构。双流道散热干式冷却系统由散热器、膨胀水箱、高低温水泵、机油热交换器等构成。散热器采用双流道结构，底部为低温部分，顶部为高温部分。冷却风扇先冷却低温散热器，再冷却高温散热器。膨胀水箱起到储、补水作用，柴油机启动后，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作用下流回膨胀水箱，散热器呈干式。

2、冷却系统原理。按柴油机所需冷却零部件不同，分为2个冷却系统，即高、低温冷却水系统。其中，高温冷却水系统冷却柴油机气缸套、气缸盖和机油热交换器，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。高温冷却水通过温控阀和机油热交换器流回高温水泵，进入柴油机；当高于温控阀开启温度时，温控阀开启，高温冷却水通过温控阀、散热器高温部分和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中流出，当低温冷却水温度低于温控阀开启温度时，温控阀关闭，低温冷却水通过温控阀流回低温水泵，进入中冷器；当高于温控阀开启温度时，温控阀开启，低温冷却水通过温控阀和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，使冷却空气能同时冷却高低温散热器，有效提高散热，降低辅助系统功耗。

四、冷却系统控制方法

1、冷却水温度对柴油机运行的影响。冷却水温度对柴油机运行有很大影响，冷却系统作用是使柴油机在各种工况下保持适当温度。高温冷却系统直接影响柴油机发热部件的温度和热应力，直接关系到柴油机的可靠性。低温冷却系统影响柴油机进气温度、进气量、空燃比，从而影响柴油机排放。

当冷却水温度过高时，机油会因受热黏度而降低，从而导致零件润滑部位油膜损坏或减少，影响润滑效果，甚至造成积碳、拉缸、零件失效等问题；当冷却水温度过低时，机油粘度会增大，流动性降低，影响润滑性能，并且由于气缸内温度低，将有少量水蒸气附着在气缸壁内表面，与燃烧产生的物质发生反应，腐蚀气缸壁；当冷却水温度来回波动时，虽然温度在可接受范围内，但由于冷热周期性频繁变化，柴油机性能及可靠性仍将受到影响。

2、冷却水温度控制策略。为保证柴油机在理想状态下工作，冷却水温度控制原则及目标是避免冷却水温度过高或过低。在双流道干式冷却系统中，两个冷却风扇具有同时冷却高低温水的功能。为防止风路被部分短路，影响散热效率，控制系统将通过变频控制两个风扇电机以相同速度运行，高低温水温将随着柴油机功率及冷却风扇转速变化同步上升或下降。

根据上述原理，当高低温水温度高于相应启动阈值时，控制两个冷却风扇同时启动至最低设定转速；当高于相应最高温度阈值时，控制两个冷却风扇同步加速至最高设定速度；否则，以高温水温设定值为控制目标，通过基于高温水温闭环的冷却系统控制方法，同步控制两个冷却风扇运行。正常情况下，根据冷却水温度控制策略，高温水温始终控制在设定目标值，低温水温在不同环境温度和柴油机负荷影响下在一定范围内变化。

3、软件设计。在分析几种常用温度控制方法存在问题的基础上，提出了一种基于高温水温闭环的冷却系统控制方法，见图1。

图1

五、控制方法的应用

双流道干式冷却系统和基于高温水温闭环的冷却系统控制方法已成功应用于CKD9B机车，该机车冷却系统散热器体积小、重量轻、散热效率高。采用基于高温水温闭环的冷却系统控制方法，能使柴油机在不同负荷下高低温水温保持稳定，降低辅助系统能耗，解决了机车运用中冷却风扇转速和柴油机高、低温水温周期性波动问题，能更好发挥柴油机性能，提高可靠性。

软件优化前采用阈值法控制的CKD9B机车冷却系统稳定性试验表明，冷却风扇调速性能差，在柴油机转速与负荷率不变情况下，高低温水温出现周期约为300s，峰值约为12℃的等幅振荡，柴油机热稳定性差，影响其性能及可靠性。

基于高温水温闭环冷却系统控制方法的软件优化后，CKD9B机车冷却系统稳定性试验表明，冷却风扇调试性能得到明显改善，当环境温度为20℃时，高温水温稳定在90℃左右，低温水温稳定在48℃左右，很好地满足了柴油机对高低温水温的要求。与改进前软件相比，优化后软件使辅助逆变器输出频率变化平稳，冷却风扇转速波动减小，对系统影响大幅降低，节省了辅助系统能耗。             

参考文献：

[1]吴平.内燃机车干式冷却系统的研究与应用[J].内燃机车，2016(02):10-13，16．