基于單片機技術(shù)的輔機發(fā)動機安全保護(hù)設(shè)計

尹中明， 孫文欣, 李雅琪， 李 鑫， 高 詮， 張國彥

(1．中國北方車輛研究所，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.車載輔機電源技術(shù)源于移動電站，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：輔機發(fā)動機自身的安全保護(hù)設(shè)計不全面，導(dǎo)致在車輛無人狀態(tài)時車載輔機電源故障后僅能報警，而不能自動停機，需依賴操作人員的操作方可停機.

某特種車輛樣車進(jìn)行出廠鑒定試驗，使用車載輔機電源為全車供電進(jìn)行特種科目試驗，由于某種異常外因，輔機發(fā)動機冷卻風(fēng)扇皮帶斷裂，發(fā)動機無冷卻散熱，駕駛員顯控終端顯示發(fā)動機過熱報警.此時駕駛室內(nèi)無駕駛員，無人對輔機發(fā)動機過熱報警進(jìn)行相應(yīng)的人工停機操作，直至發(fā)動機拉缸、自動停機.

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

1 輔機發(fā)動機安全保護(hù)設(shè)計

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

GJB1488-1992《軍用內(nèi)燃機電站通用試驗方法》，其中“方法309 檢查過速度保護(hù)功能”、“方法311 檢查過熱保護(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)動機過速保護(hù)、過熱保護(hù)和低油壓保護(hù)[2].

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

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

車載輔機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，過流保護(hù)、短路保護(hù)依托電氣系統(tǒng)實現(xiàn)，過壓保護(hù)、限流保護(hù)等通過發(fā)電機調(diào)壓器實現(xiàn)，發(fā)動機報警通過總線上傳至顯控終端顯示，依托駕駛員觀察到報警后進(jìn)行人工干預(yù)停機.在正常使用模式下不存在問題，在異常情況下，如駕駛員不在位時，發(fā)動機報警后無人工干預(yù)，發(fā)動機長期處于報警后可導(dǎo)致發(fā)動機故障.

針對現(xiàn)有特種車輛存在的問題，借鑒軍標(biāo)對移動電站要求，完善車載輔機電源安全保護(hù).車載輔機電源一般已具有過載保護(hù)、過壓保護(hù)等保護(hù)功能，主要缺少發(fā)動機安全保護(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)動機，已基本實現(xiàn)了由機械調(diào)速向電子調(diào)速的發(fā)展應(yīng)用，目前少量先進(jìn)發(fā)動機已開始向高壓共軌技術(shù)發(fā)展過渡[5].普通電子調(diào)速發(fā)動機，一般采用線性電磁閥、調(diào)速電機調(diào)節(jié)發(fā)動機油門，車載發(fā)動機安全保護(hù)可通過發(fā)動機ECU盒斷電實現(xiàn)發(fā)動機自動停機，如圖1所示.

圖1 發(fā)動機自動停機安全保護(hù)示意圖

發(fā)動機安全保護(hù)單元核心芯片為單片機，信號調(diào)理板采集發(fā)動機油溫(或水溫)保護(hù)信號、油壓保護(hù)信號、速度信號，調(diào)理、隔離后送至單片機，利用單片機強大的計算、邏輯功能，計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速，判斷發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、油溫信號、機油壓力信號等是否達(dá)到保護(hù)門限，并持續(xù)一定時間.若保護(hù)，則輸出保護(hù)信號，執(zhí)行單元動作，切斷發(fā)動機ECU盒電源，發(fā)動機停機.實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的采集、計算和保護(hù)功能邏輯判斷由單片機進(jìn)行判斷處理保護(hù)與否.

1.1 控制邏輯

輔機電源安全保護(hù)單元一上電，發(fā)動機油溫高保護(hù)、超速保護(hù)和過電壓、限電流即投入運行.此時發(fā)動機尚未起動，發(fā)動機機油油壓未建立.當(dāng)發(fā)動機起動后，通過機油泵循環(huán)機油、以冷卻發(fā)動機，機油油壓建壓.發(fā)動機起動時，起動電機拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般為160～200 r/min，故當(dāng)檢測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于500 r/min時，表明此時發(fā)動機已起動(發(fā)動機怠速設(shè)定一般在600～1 500 r/min范圍內(nèi))，發(fā)動機油壓低保護(hù)投入運行.

保護(hù)邏輯如圖2所示.

圖2 輔機電源部分安全保護(hù)邏輯示意圖

1.2 油溫高(或水溫高)保護(hù)

油溫報警、油壓報警信號采集電路圖如圖3所示.發(fā)動機一般均內(nèi)置油溫(或水溫)傳感器，其輸出為開關(guān)量信號.正常時為懸空，油溫高時傳感器閉合，輸出為地信號.通過光耦對油溫(或水溫)高保護(hù)信號進(jìn)行隔離，送單片機I/O口直接進(jìn)行處理.單片機接收到保護(hù)信號，采集到信號要持續(xù)2～5 s進(jìn)行保護(hù).延時保護(hù)，一是保證保護(hù)信號非干擾信號，二是短時間內(nèi)發(fā)動機不至于損壞，同時可提醒操作人員進(jìn)行必要的卸載、關(guān)機處理.

圖3 油溫報警、油壓報警信號采集電路圖

1.3 油壓低保護(hù)

發(fā)動機一般均內(nèi)置油壓傳感器，其輸出為開關(guān)量信號.正常時為懸空，發(fā)動機停機或油溫低時傳感器閉合，輸出為地信號.

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)動機轉(zhuǎn)速失控，如飛車時對發(fā)動機進(jìn)行停機保護(hù).轉(zhuǎn)速信號采集電路圖如圖4所示.采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，首先用觸發(fā)器對發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號波形進(jìn)行整形，再通過光耦隔離后送至單片機進(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)速信號送單片機的捕獲單元，由捕獲單元進(jìn)行比較計算，得出發(fā)動機轉(zhuǎn)速，其流程圖如圖5所示.

圖4 轉(zhuǎn)速信號采集電路圖

圖5 轉(zhuǎn)速信號采集電路圖

2 臺架試驗

用一臺輔機發(fā)動機進(jìn)行安全保護(hù)臺架試驗.發(fā)動機正常起動、升速至全速.首先模擬油溫高信號，直接在安全保護(hù)單元油溫高信號輸入端接入模擬地信號，發(fā)動機經(jīng)正常延時自動停機；再次起動輔機發(fā)動機，升速，直接在安全保護(hù)單元油壓低信號輸入端接入模擬地信號，發(fā)動機經(jīng)正常延時自動停機.輔機發(fā)動機安全保護(hù)臺架試驗示意框圖見圖6.

通過臺架安全保護(hù)試驗，驗證了該方案的可行性.

圖6 輔機發(fā)動機安全保護(hù)臺架試驗圖

3 結(jié)束語

通過對現(xiàn)有特種車輛車載輔機電源發(fā)動機安全保護(hù)故障缺陷進(jìn)行分析，借鑒軍標(biāo)對移動電站安全保護(hù)要求，采用基于單片機及信號處理技術(shù)，采集發(fā)動機油溫、油壓、轉(zhuǎn)速等信號，通過軟件判斷發(fā)動機保護(hù)與否，再通過控制發(fā)動機ECU電源通斷，實現(xiàn)發(fā)動機自動保護(hù)，從而實現(xiàn)車載輔機電源無人值守自動安全保護(hù).臺架試驗結(jié)果表明該設(shè)計方案可行.