飞机除冰车加热控制系统设计

钟韬1 林海芸1 孔祥文2

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1 前言

飞机除冰车是寒冷地区机场及航空公司必备的飞机运行安全保障车辆之一。一旦遇到雨雪霜冻等恶劣天气，飞机表面会出现结冰霜冻情况，为保证飞行安全，必须在起飞前对飞机进行除冰作业。给飞机除冰的方式有很多种，如：人工除冰、喷洒除冰液/防冰液除冰、红外除冰等，目前普遍使用的是依靠将除冰液加热到要求温度后，使其高压喷出的方式除冰。而按照除冰液加热方式不同，又分为即热式和预热式两种。但是，由于预热时间长、循环工作效率低，预热式的除冰方式已经远远不能满足机场在高寒地区持续除冰作业的需求。所以，即热式的除冰设备成为当前最能满足要求的除冰作业设备，其不仅可以在短时间内将除冰液温度加热到预设温度，还具有持续循环作业能力。但根据目前在各个机场及航空公司使用的航空地面除冰移动设备来看，其普遍存在低温点火成功率低、升温速度过慢（2个喷油嘴）、燃烧等级少（2级或者4级）、等级切换时冒黑烟、温度稳定性低、故障查找困难等问题。

针对上述存在的问题，为解决现有技术的不足，笔者提出一种多级燃烧等级（16级）、多火焰喷嘴（4个）以满足不同除冰液流量及不同初始温度下，保证除冰作业时喷枪出口温度能够快速达到并稳定在设定温度，且具有自动启停功能的除冰车加热系统。

2 系统结构

飞机除冰车除冰液加热控制系统由信号采集系统、中央控制处理器、显示系统以及执行系统等部分组成，通过中央处理器对各个子系统检测到的数据进行算法计算并对执行机构进行控制，使除冰作业时喷枪出口温度快速达到并稳定在设定温度。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.1 信号采集子系统

除冰车加热系统的信号采集子系统主要由温度传感器、油压传感器、风压传感器、感光传感器以及流量计等组成，将除冰车锅炉加热系统所需要的参数实时传送到中央控制处理器进行运算，控制器将根据采集回来的入口温度、出口温度、当前流量、当前设定的目标温度、燃油压力以及风机压力计算出所需要的燃油喷洒口数量、喷洒压力及需要的进风量，为保证火焰的燃烧状态达到加热的预期效果提供充足的数据支持。

2.2 参数显示子系统

除冰车加热系统的参数显示子系统分为状态界面和参数设置界面。状态界面用于为操作者提供除冰车锅炉控制系统的运行参数，包括实际燃烧等级、目标燃烧等级、喷油嘴工作状态、当前燃油压力、当前加热系统中提供的炉内风压，加热系统入口待加热液体温度、系统出口经加热液体温度、流经除冰车加热系统的实时液体流量以及对应的报警信息，这样可以直观地为操作者提供整个加热系统的状态展示，快速了解加热系统当前的运行情况，并能够在加热系统运行出现故障时快速查找到问题点，并排除故障。参数设置界面用于为操作者提供加热系统的参数设置，在不同海拔地区，由于含氧量不同导致燃烧器加热所需的风量有差异，该界面可以为不同区域提供不同的燃烧参数，保证火焰的燃烧状态满足要求。显示器动画界面如图2所示。

2.3 执行机构子系统

除冰车加热系统的执行机构子系统由多个液压比例阀、开关电磁阀、燃油预热装置、燃油泵、风机、点火电极等机构组成。根据控制器的逻辑控制对喷油嘴的打开关闭及开关顺序进行控制，同时控制炉体内的进油量和进风量，使炉膛内的热量满足除冰液的加热需求。

3 加热系统参数设定

整个加热系统分为16个阶段，其中加热阶段13级、停机阶段1级、前吹风阶段1级以及后吹风阶段1级，能够满足最高220 L/min流量情况下，在2～3 min时间内将除冰液加热到0℃~80℃间任何温度，并可维持在所需温度。

图2 显示器动画界面

对于每一个加热等级都对应了不同的加热控制参数，按照最大除冰车喷洒流量计算，通过除冰液相关的比热需求公式，按照一定的加热效率进行推演，通过不断试验得出了能够匹配所有有效加热等级的加热参数，参数对比如表1所示。

表1 多种加热等级燃油风机配比参数对比表

控制器根据上表中所推算出的风压、油压以及喷油嘴打开数量进行精细控制。

4 加热系统逻辑控制

在加热系统启动前，需要保证有高于70 L/min的液体流过加热系统的管路，否则系统会发出报警，防止系统干烧或者提示流量计故障。当流量满足加热要求，且检测到各个传感器检测的信号运行正常后，加热系统开始启动加热程序，风机和燃油泵开始工作，达到预定点火时的风压值和油压值，此时为了能够保证点火成功率，风机向炉膛内供风，并且点火喷油嘴供油管路预热棒开始加热，运行14 s后1号喷油嘴电磁阀打开，并且点火电极供电打火，从喷油嘴雾化后的燃油经过电极高压瞬间点燃，感光传感器对炉膛内的亮度转化为数值传递给控制器，当火焰持续保持2 s时间，判定点火成功，控制器将根据进出口温差及当前流量值计算需要的燃烧等级，然后按照跳级的方式快速达到目标燃烧等级。燃烧等级切换示意如图3所示。

图3 燃烧等级切换示意图

通常火焰等级的切换是逐级进行的，从一级跳转到二级，再跳转到三级，最终跳转到目标燃烧等级，但是这样等级逐一跳转不仅需要时间，还会在等级切换，尤其是在喷油嘴数量变更的等级切换过程中产生黑烟，出现燃烧不充分现象。为了避免这些问题影响加热系统工作，笔者设计了跳转控制方式，但跳转的等级是有要求的，并不能随意跳转。根据表1中对应的燃烧等级、风机风压、燃油压力以及喷油嘴工作数量，按照优先同油压喷油嘴切换原则进行等级切换，再按照同数量喷油嘴逐级切换的原则进行，例如当最终目标等级为13级，加热系统从点火开始进入1级燃烧火焰，然后直接根据燃油压力跳转到5级燃烧火焰，这个切换过程保证油压稳定，只改变了风机风压及喷油嘴数量，然后按照这个原则，再通过控制器程序控制燃烧等级跳转到8级再跳转到11级，最后在4个喷油嘴工作的情况下，改变风压和油压，逐级升高到13级燃烧阶段。当火焰等级需要降级处理时，也是满足油压不变，只降风压和喷油嘴的数量来进行降级，例如从13级火焰降到6级，控制器会控制系统先从13级降到10级，然后再降到7级，最终再从7级降到6级。经过实际试验，这种换级方式不仅可以快速到达目标燃烧等级，还使得切换燃烧等级，尤其是涉及到喷油嘴数量更改的等级切换过程中，出现黑烟的情况有效地得到缓解。

其他系统在使用过程中，一直处于工作状态，这样不仅会影响加热系统的使用寿命，还会造成不必要的能源浪费。由于该系统具有极快的加热效率，所以在本系统中设计了自动待机功能。当使用者不再为飞机等设备进行除冰作业时，或者长时间处于待命状态，为了避免上述问题，在除冰液处于低于工作流量状态并且入口温度达到一个高温度状态后（保证重新开机后不用等待可以直接进行喷洒作业），控制器会控制各个电磁阀及继电器关闭加热系统，当使用者将喷洒炮头重新打开，液体流量再次增大到工作流量后，系统立即重启加热，这样即可保证在高效加热的情况下还能节省能源，避免浪费。

5 结语

该除冰车加热控制系统在实际应用中得到了充分的验证，在整个调试过程中，加热到最高80℃的目标温度，加热速度可控制在3 min之内，并且可以有效地保护加热系统，当检测到异常情况，系统会立即停止加热系统的运行，保证系统工作安全。

但在特殊工况下也会存在参数需要调整的状况：

a.受恶劣天气的影响，如大气压力变化及风力及风向变化都会对加热系统的排烟构成一定的影响，会出现少量加热不充分的情况，排出黑烟；

b.在高海拔地区由于含氧量及沸点变化，需要按照当地的气候重新标定燃烧参数，否则会出现加热不充分的情况；

c.由于使用的燃料为柴油，在高寒地区长时间放置会出现点火困难的情况，需要在车库内保存。

对于上述出现的问题，笔者后续会有针对性地进行完善。