尹中明， 孫文欣, 李雅琪， 李 鑫， 高 詮， 張國(guó)彥

(1．中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072；2.大連理工大學(xué)，大連 116000)

隨著特種車輛技術(shù)發(fā)展，車載輔機(jī)電源在二線特種車輛應(yīng)用非常普遍，正逐步向一線特種車輛推廣.車載輔機(jī)電源技術(shù)源于移動(dòng)電站，但裝備于特種車輛上后則隸屬于特種車輛電氣系統(tǒng)，其部分操作、顯示、保護(hù)與車輛電氣系統(tǒng)深度融合，在設(shè)計(jì)上一方面受限于特種車輛空間布置及系統(tǒng)約束上，另一方面又依賴電氣系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和車輛的有人操作、值守，尤其是系統(tǒng)的安全保護(hù)方面：輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)自身的安全保護(hù)設(shè)計(jì)不全面，導(dǎo)致在車輛無(wú)人狀態(tài)時(shí)車載輔機(jī)電源故障后僅能報(bào)警，而不能自動(dòng)停機(jī)，需依賴操作人員的操作方可停機(jī).

某特種車輛樣車進(jìn)行出廠鑒定試驗(yàn)，使用車載輔機(jī)電源為全車供電進(jìn)行特種科目試驗(yàn)，由于某種異常外因，輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇皮帶斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)冷卻散熱，駕駛員顯控終端顯示發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱報(bào)警.此時(shí)駕駛室內(nèi)無(wú)駕駛員，無(wú)人對(duì)輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱報(bào)警進(jìn)行相應(yīng)的人工停機(jī)操作，直至發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸、自動(dòng)停機(jī).

特種車輛未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是智能化、網(wǎng)絡(luò)化和無(wú)人化，要求車輔機(jī)電源具有一定的智能化，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙操作和無(wú)人值守，意味著車載輔機(jī)電源具有完善的自動(dòng)安全保護(hù)功能，以適應(yīng)無(wú)人車的無(wú)人操作和無(wú)人值守使用模式.

1 輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)設(shè)計(jì)

GJB235A-1997《軍用交流移動(dòng)電站通用規(guī)范》3.14條，要求移動(dòng)電站有過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)[1]；

GJB1488-1992《軍用內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法》，其中“方法309 檢查過(guò)速度保護(hù)功能”、“方法311 檢查過(guò)熱保護(hù)功能”、“方法312 檢查低油壓保護(hù)功能”等，明確要求檢查電站發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)速保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和低油壓保護(hù)[2].

GJB674A-1999《軍用直流移動(dòng)電站通用規(guī)范》3.17條，要求直流移動(dòng)電站具有過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、低油壓保護(hù)、高水溫(過(guò)熱)保護(hù)、過(guò)速度保護(hù)等裝置[3].

GJB204A-1992《軍用交流移動(dòng)電站額定功率、電壓及轉(zhuǎn)速》明確移動(dòng)電站包括汽車電站、掛車電站、移動(dòng)式發(fā)電機(jī)組.從移動(dòng)電站界定看，移動(dòng)電站與特種車輛車載輔機(jī)電源從承載平臺(tái)、使用環(huán)境、使用模式等方面有較大差別.移動(dòng)電站目前有較為翔實(shí)的國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)進(jìn)行約束，而特種車輛車載輔機(jī)電源缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[4].

車載輔機(jī)電源一方面缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，另一方面與特種車輛的電氣系統(tǒng)深度融合，過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)依托電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，過(guò)壓保護(hù)、限流保護(hù)等通過(guò)發(fā)電機(jī)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)警通過(guò)總線上傳至顯控終端顯示，依托駕駛員觀察到報(bào)警后進(jìn)行人工干預(yù)停機(jī).在正常使用模式下不存在問(wèn)題，在異常情況下，如駕駛員不在位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)警后無(wú)人工干預(yù)，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于報(bào)警后可導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障.

針對(duì)現(xiàn)有特種車輛存在的問(wèn)題，借鑒軍標(biāo)對(duì)移動(dòng)電站要求，完善車載輔機(jī)電源安全保護(hù).車載輔機(jī)電源一般已具有過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等保護(hù)功能，主要缺少發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)，主要有油溫高(或水溫高)保護(hù)、油壓低保護(hù)、超速保護(hù)等幾方面.

現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)，已基本實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械調(diào)速向電子調(diào)速的發(fā)展應(yīng)用，目前少量先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)已開始向高壓共軌技術(shù)發(fā)展過(guò)渡[5].普通電子調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)，一般采用線性電磁閥、調(diào)速電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門，車載發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU盒斷電實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)，如圖1所示.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)安全保護(hù)示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)單元核心芯片為單片機(jī)，信號(hào)調(diào)理板采集發(fā)動(dòng)機(jī)油溫(或水溫)保護(hù)信號(hào)、油壓保護(hù)信號(hào)、速度信號(hào)，調(diào)理、隔離后送至單片機(jī)，利用單片機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、邏輯功能，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、油溫信號(hào)、機(jī)油壓力信號(hào)等是否達(dá)到保護(hù)門限，并持續(xù)一定時(shí)間.若保護(hù)，則輸出保護(hù)信號(hào)，執(zhí)行單元?jiǎng)幼?，切斷發(fā)動(dòng)機(jī)ECU盒電源，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī).實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、計(jì)算和保護(hù)功能邏輯判斷由單片機(jī)進(jìn)行判斷處理保護(hù)與否.

1.1 控制邏輯

輔機(jī)電源安全保護(hù)單元一上電，發(fā)動(dòng)機(jī)油溫高保護(hù)、超速保護(hù)和過(guò)電壓、限電流即投入運(yùn)行.此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尚未起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油油壓未建立.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，通過(guò)機(jī)油泵循環(huán)機(jī)油、以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)油油壓建壓.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般為160～200 r/min，故當(dāng)檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于500 r/min時(shí)，表明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已起動(dòng)(發(fā)動(dòng)機(jī)怠速設(shè)定一般在600～1 500 r/min范圍內(nèi))，發(fā)動(dòng)機(jī)油壓低保護(hù)投入運(yùn)行.

保護(hù)邏輯如圖2所示.

圖2 輔機(jī)電源部分安全保護(hù)邏輯示意圖

1.2 油溫高(或水溫高)保護(hù)

油溫報(bào)警、油壓報(bào)警信號(hào)采集電路圖如圖3所示.發(fā)動(dòng)機(jī)一般均內(nèi)置油溫(或水溫)傳感器，其輸出為開關(guān)量信號(hào).正常時(shí)為懸空，油溫高時(shí)傳感器閉合，輸出為地信號(hào).通過(guò)光耦對(duì)油溫(或水溫)高保護(hù)信號(hào)進(jìn)行隔離，送單片機(jī)I/O口直接進(jìn)行處理.單片機(jī)接收到保護(hù)信號(hào)，采集到信號(hào)要持續(xù)2～5 s進(jìn)行保護(hù).延時(shí)保護(hù)，一是保證保護(hù)信號(hào)非干擾信號(hào)，二是短時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不至于損壞，同時(shí)可提醒操作人員進(jìn)行必要的卸載、關(guān)機(jī)處理.

圖3 油溫報(bào)警、油壓報(bào)警信號(hào)采集電路圖

1.3 油壓低保護(hù)

發(fā)動(dòng)機(jī)一般均內(nèi)置油壓傳感器，其輸出為開關(guān)量信號(hào).正常時(shí)為懸空，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)或油溫低時(shí)傳感器閉合，輸出為地信號(hào).

油壓低保護(hù)電路及邏輯同油溫高保護(hù).

1.4超速保護(hù)

超速保護(hù)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速失控，如飛車時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)保護(hù).轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路圖如圖4所示.采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，首先用觸發(fā)器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形進(jìn)行整形，再通過(guò)光耦隔離后送至單片機(jī)進(jìn)行處理.后端硬件保護(hù)電路與油溫高、油壓低保護(hù)共用一套保護(hù)電路.

調(diào)理后,轉(zhuǎn)速信號(hào)送單片機(jī)的捕獲單元，由捕獲單元進(jìn)行比較計(jì)算，得出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其流程圖如圖5所示.

圖4 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路圖

圖5 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路圖

2 臺(tái)架試驗(yàn)

用一臺(tái)輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行安全保護(hù)臺(tái)架試驗(yàn).發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)、升速至全速.首先模擬油溫高信號(hào)，直接在安全保護(hù)單元油溫高信號(hào)輸入端接入模擬地信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)正常延時(shí)自動(dòng)停機(jī)；再次起動(dòng)輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，升速，直接在安全保護(hù)單元油壓低信號(hào)輸入端接入模擬地信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)正常延時(shí)自動(dòng)停機(jī).輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)臺(tái)架試驗(yàn)示意框圖見(jiàn)圖6.

通過(guò)臺(tái)架安全保護(hù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性.

圖6 輔機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)臺(tái)架試驗(yàn)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有特種車輛車載輔機(jī)電源發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)故障缺陷進(jìn)行分析，借鑒軍標(biāo)對(duì)移動(dòng)電站安全保護(hù)要求，采用基于單片機(jī)及信號(hào)處理技術(shù)，采集發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、油壓、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，通過(guò)軟件判斷發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)與否，再通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU電源通斷，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)車載輔機(jī)電源無(wú)人值守自動(dòng)安全保護(hù).臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案可行.