滿足無人駕駛拖拉機長保養(yǎng)周期的專用發(fā)動機設(shè)計探討

周立春，楊國濤，楊明波，王 凱

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著整車控制單元（ECU）運算處理能力的提高，傳感器、衛(wèi)星定位等關(guān)鍵技術(shù)的研究與發(fā)展，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)開始圍繞無人駕駛拖拉機展開研究工作。無人駕駛拖拉

機具有節(jié)省作業(yè)時間、提高生產(chǎn)效率、增加用戶收益等優(yōu)點。無人駕駛拖拉機在機械自動化基礎(chǔ)上進一步降低人力成本和時間成本，特別適合大型農(nóng)場的自動化作業(yè)，對現(xiàn)代高端農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展具有重要的促進作用。

1 柴油機在無人駕駛拖拉機中的特殊要求

柴油機作為拖拉機的核心部件，是實現(xiàn)無人駕駛功能的關(guān)鍵組成部分。無人駕駛拖拉機的一個重要特點是長時間不間斷作業(yè)，據(jù)了解某高端重型無人駕駛拖拉機項目，理論每天作業(yè)可以達到20 h，全年工作時間預計4 000 h。為更好地適應(yīng)長時間作業(yè)的需要，柴油機的應(yīng)用開發(fā)必須滿足長保養(yǎng)周期要求，主要包含2 個方面：機油的更換周期、燃油濾清器的保養(yǎng)周期。

1.1 延長機油更換周期的方法探討

目前常見的大功率拖拉機每年工作時間約500 h，與此配套的柴油機通常是500 h 更換機油，這對于普通拖拉機是足夠的。但對于每天可以工作20 h 以上的無人駕駛拖拉機來說，就顯得保養(yǎng)太頻繁，不滿足連續(xù)不間斷工作的需要，影響工作效率。

現(xiàn)有技術(shù)，為延長保養(yǎng)周期，通常是加大油底殼輪廓，增加容量，使油底殼可以儲存更多的機油。但此方法具有很大的局限性，例如，重型大功率拖拉機大多數(shù)使用有架式結(jié)構(gòu)，在柴油機下有鑄造的大型托架進行前后橋的連接，并起到承載作用，柴油機使用不受力的沖壓油底殼。因為托架形狀限制，油底殼和托架間需要保證安全距離，因此，油底殼體積不能做的很大。如果拖拉機使用無架式結(jié)構(gòu)，柴油機使用鑄鐵油底殼，起承載作用。為滿足拖拉機各種工況的可靠性要求，防止油底殼斷裂、漏油，油底殼整體結(jié)構(gòu)會做的非常厚重，這樣的設(shè)計會導致油底殼內(nèi)腔實際機油儲量較少。

針對于上述方案的局限性，現(xiàn)提出以下自動補油的優(yōu)化方案。

原機械油標尺位置更換成機油液位傳感器，機油液位傳感器通過線束連接到柴油機電控單元（ECU）。機油液位傳感器的油量與電壓信號的對應(yīng)關(guān)系可以根據(jù)不同車型的油底殼油量進行標定。根據(jù)設(shè)計需求設(shè)定機油下刻線和機油上刻線，計算出上刻線與下刻線之間的機油量，此定量為固定補油量。

在油標尺附近安裝補油口接頭，接頭大小可以根據(jù)設(shè)計補油量和設(shè)計補油時間進行確定。

拖拉機上方設(shè)置機油補油箱，補油箱出口與補油口中間使用膠管連接。補油箱出油口設(shè)置電磁閥，電子閥通過線束連接到電控單元（ECU）。

當拖拉機開始工作，電控單元（ECU）通過機油液位傳感器檢測機油液位，如果機油液位高于下刻線，可以正常啟動。如果檢測到機油液位低于下刻線，此時儀表盤機油液位低警示燈常亮，電控單元（ECU）控制補油箱出油口電磁閥打開，機油通過重力作用流入油底殼。根據(jù)設(shè)定的補油量確定電磁閥打開時間，到達設(shè)定時間后電磁閥自動關(guān)閉，儀表盤機油液位低警示燈同步熄滅。此時補油過程完成，可以正常啟動發(fā)動機。結(jié)構(gòu)示意和運行過程，見圖1。

圖1 補油功能運行過程示意圖Fig.1 The schematic diagram of operation process of oil replenishment function

此方案的優(yōu)點：補油全過程自動完成，無需人工操作，滿足無人駕駛拖拉機的長時間作業(yè)要求；在油底殼體積大小不改變情況下，通過增加補油箱自動補油，延長保養(yǎng)周期。根據(jù)補油箱設(shè)計大小，保養(yǎng)周期可以延長1倍。

1.2 延長燃油濾清器保養(yǎng)周期的方法探討

柴油機的正常運轉(zhuǎn)離不開燃油，如果燃油里的水或雜質(zhì)沒有過濾干凈，會造成燃油系統(tǒng)的零部件損壞。目前常見的燃油濾清器會在底部安裝透明儲水杯，當分離水達到一定高度，駕駛員手動將水杯放水閥打開，將積水排出。對于無人駕駛拖拉機來說，頻繁手動放水會影響作業(yè)效率。

針對手動放水的局限性，可以采用以下自動放水的優(yōu)化方案。

新型燃油粗濾器底部帶有自動放水水杯，水杯內(nèi)設(shè)有積水液位傳感器、放水電磁閥。水位傳感器用于檢測燃油濾清器中的水位信息，并將水位信息通過線束傳輸?shù)讲裼蜋C電控單元（ECU），電控單元（ECU）通過線束控制放水閥開啟關(guān)閉。放水水杯中的液位傳感器根據(jù)每個機型不同進行標定，設(shè)置上液位和下液位。

當拖拉機開始工作，電控單元通過水杯內(nèi)積水液位傳感器檢測積水液位，如果在上液位與下液位之間，此時是合理狀態(tài)，發(fā)動機可以正常啟動。如果檢測到積水液位高于上液位，說明此時積水較多需要放水。這時發(fā)動機油中有水指示燈常亮，電控單元（ECU）控制水杯放水閥打開，積水通過引流管排出。當積水液位到達下液位時，放水閥關(guān)閉停止放水，油中有水指示燈熄滅，本次放水過程結(jié)束，可以正常啟動發(fā)動機。結(jié)構(gòu)示意和運行過程，見圖2。

圖2 放水功能運行過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of operation process of drainage function

此方案的優(yōu)點：放水全過程自動完成，無需人工操作，滿足無人駕駛拖拉機的長時間作業(yè)要求；放水只在每次啟動上電時進行，防止放水污染土地。

2 結(jié)語

無人駕駛拖拉機技術(shù)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主導方向，對農(nóng)業(yè)裝備的科技化、智能化發(fā)展具有重要的意義。以上發(fā)動機的設(shè)計探討，是針對于無人駕駛拖拉機延長保養(yǎng)周期方面所做的想法與嘗試。今后，還需要著重研究拖拉機各系統(tǒng)間智能化匹配，進一步的為實現(xiàn)無人駕駛拖拉機落地而努力。