机车柴油机防飞车装置的研究与设计

摘要：内燃机车柴油机在工作过程中，由于操作不当或供油系统机械故障等意外因素，可能导致柴油机发生飞车事故。当内燃机车柴油机发生严重飞车故障后，会造成曲轴、缸头、活塞连杆组、缸套等柴油机零件损坏，其造成的经济损失非常巨大。因此在柴油机上合理地加装完全独立控制的保护装置，以提高柴油机工作的安全性是非常重要的。

关键词：内燃机车 柴油机 飞车 断油法

1 概况

发生飞车后，随着柴油机转速的增高，喷油泵柱塞与柱塞套间的漏损减小，进入气缸内的柴油增加，导致柴油机的转速再增高，从而形成恶性循环。柴油机转速的不断增高，使气缸内温度不断升高，活塞的膨胀量增加，活塞连杆组各零件运动加剧，负荷增大，超过其强度极限后，轻则造成部分薄弱机件损坏，重则造成整台柴油机报废。若柴油发动机采用新型断油系统，就可以使柴油机迅速停止转动，从而避免损失甚至人员伤害。机车柴油机防飞车装置是从工程实际出发，从根本上预防和解决飞车问题。

2 防飞车方案的选择

2.1 几种机车柴油机防飞车方案

目前，柴油机防飞车安全保护装置的设计方案有多种，根据其设计指导思想的差别，可将其归为以下几类[1]：“断气法”、“断油法”、“加大负荷法”、“断气、断油法”、“断油、加大负荷法”。

2.2 方案对比分析

几种方案对比分析如下：①“断气法”：可迅速、可靠抑制飞车。但“断气”的同时，会引起增压器短暂喘振，并因部分燃油未充分燃烧，可能造成柴油机内积油等问题，而且不易实现，驱动机构复杂，可靠性不高，超速控制范围小。②“断油法”：可有效拟制飞车，而且容易实现，成本低，控制精度高，误差小，可靠性高，驱动机构简单可靠便于安装维修。切断供油从原理上是说得通的，一般的设计在实际上却不怎么有效。原因是油管、燃油滤清器和活塞顶部上的残油足以维持相当长时间的继续燃烧，很难将柴油机的转速降下来，导致飞车故障不能立即得到抑制。③“加大负荷法”：可以缓解飞车，但需要修改机车控制系统，这就是说要改变原设计，这种方法虽然有效，但容易造成柴油机和变速箱零件损坏，而且很危险。易出交通事故，因此不提倡。④对喷油泵附件系统采用无刚性障碍设计：优化设计的必然，但不能从根本上解决飞车所有问题。⑤“断气、断油法”：在实施断气的同时，切断燃油。超速控制精度高，可调超速控制转速范围大，可靠性高，此方法从原理上来讲最有效，但系统较“断气法”复杂，性能改进不大而且改造成本较高。

通过对几种防飞车有效方案分析，调研了防飞车装置设计的实际可能性。本设计采用断油法来实现防飞车的目的，针对目前断油法存在的一些不足（例如不能立即拟制飞车），通过设计可以在管道中形成高度真空状态，这样管道剩余的燃油就不能吸走，从而缩短停车时间，达到立即拟制飞车的目的。另外它采用独立于柴油机运行的方式来工作，采取可靠性和抗干扰性设计，具有独立运行、受环境影响小、抗干扰能力强等特点，可以满足柴油机防飞车的实际需要。

3 防飞车装置的设计

3.1 断油系统

3.1.1 工作原理

在喷油泵低压油道的进油口处，完全切断进入喷油泵低压油道的柴油，使喷油泵低压油道内形成真空，导致柱塞偶件内部的柴油供给减弱直至完全切断，促使柴油机自动停机。

3.1.2 系统结构

系统结构[2]如下：首先将电磁阀的出油口安装在柴油机喷油泵低压油道的进油口，其次将柴油滤清器引出的柴油软管通过回油螺丝固定在断油电磁阀的进油口上，不同型号的柴油机可选用不同丝口的电磁阀。柴油机在正常使用状态，电磁阀的电源在断开位置，柴油经过滤清器滤清后经柴油软管和回油螺丝进入电磁阀内腔后流入喷油泵低压油道。柴油机出现飞车事故时，断油阀关闭喷油泵低压油道，使断油阀门完全切断进入喷油泵低压油道的柴油，使喷油泵低压油道内形成真空，导致柱塞偶件内部的柴油供给减弱直至完全切断，促使柴油机自动停机。

3.2 断油系统组成

系统主要由转速传感器、电子控制器、电磁阀组成。控制器和电磁阀工作电压DC110V。

3.2.1 转速传感器

转速传感器的选择要求可靠性高、抗干扰能力强、兼容性好。因此综合分析后选用磁电感应式传感器，可安装在柴油机盘车齿轮护罩或凸轮轴观察孔盖处，用于测量柴油机转速。

3.2.2 电子控制器

控制器接收来自转速传感器的信号，并将其整形滤波和放大后，由数码管显示柴油机转速。控制器根据柴油机转速准确判断柴油机的工作状态，并在柴油机将要发生飞车的瞬间，迅速发出控制指令驱动电磁铁动作，使断油阀关闭切断柴油机供油，令其减速停车。同时控制器将记录柴油机飞车转速及日期，用于事故备案分析，并保持断油阀的断开状态，直到人工恢复断油阀，回到正常开通工作状态。此外，控制器上还设有“急停”按钮，可在任意时刻发出紧急停车指令，达到紧急停车的目的。控制器的硬件电路由转速脉冲信号调理、输出控制驱动电路、转速显示电路及开关电源四部分电路组成。

转速脉冲信号调理电路的功能是将转速传感器的电压输出信号转变为逻辑电平脉冲信号，同时输入接口电路还起到输入信号缓冲作用[3]。

控制器的测速及控制电路采用了Atme189C51单片机，具有很高的可靠性。超速保护控制器的转速显示采用4位LED数码管显示。控制器的软件由测速模块、超速判断模块、转速显示模块构成，超速判断模块是控制器的主要软件模块。超速判断采用瞬时转速、平均转速和加速度参数极限值综合判断准则，以确保超速判断的准确性和及时性。

开关电源为控制器提供同110V辅助电源隔离的控制电源。由于断油阀需要较大的能量驱动，故应用直流110V电源，所以开关电源的输入也使用110V电源，这样避开提高经变换器输出的24V或50V电源的功率问题，而且减少了控制器的输入电源种类和外部接线。

4 结论

从防飞车断油保护装置动作实验结果表明，该装置完全可满足上述柴油机的要求，当柴油机转速达到“飞车”转速时，控制器准确及时地发出信号，操纵断油阀动作，使柴油机迅速停机。控制器除在正常情况下准确测速外，还真实地记录了从飞车转速信号发出到断油阀动作柴油机转速的变化到柴油机停机的全过程。可以有效地控制各种原因造成的柴油机“飞车”事故。从柴油机转速达到设定的飞车转速时刻起到柴油机转速开始回落的时间完全在允许范围之内。极限调速器动作和断油阀动作控制柴油机停机，其停机过程相似，但单片机控制超速保护控制装置要可靠得多。因而，这套装置对防止飞车是完全可行和有效的。但是机车柴油机防飞车装置它本身也存在一些缺陷，例如：内燃机车发生飞车时，虽然已经选择了内燃机最近的燃油通路进行截断，但是管路之中仍然存有一定的燃油，造成机车柴油机无法快速停机。

参考文献：

[1]赵新房，夏全国，李树昌.一种新型柴油机防飞车系统的设计[J].柴油机，2006.10.

[2]郑殿旺等.柴油机防飞车电子控制装置的研制[J].内燃机，1998.4.

[3]杨学东.490D型柴油机预防“飞车”装置设计[J].内燃机，2007.10.

作者简介：高骏宇（1981-），男，河南泌阳人，大学本科，工程师，北京西整备车间副主任。