公交車發(fā)動機艙溫度預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化和應(yīng)用

摘要：介紹了一款升級優(yōu)化的公交車發(fā)動機艙溫度預(yù)警系統(tǒng)。利用處理器分析公交車發(fā)動機艙的溫度值和溫度上升速率等信息，并綜合車輛等因素進(jìn)行研究，當(dāng)發(fā)動機工作溫度過高時，可通過語音、燈光等方式發(fā)出報警信息提醒駕駛員，避免危險發(fā)生。

關(guān)鍵詞：公交車；發(fā)動機艙；溫度速率；溫度預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號：U469 收稿日期：2023-09-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.026

1 前言

隨著城市化進(jìn)程的加速，公交車作為城市交通的重要組成部分，其安全性和可靠性直接關(guān)系到市民的出行體驗。公交車發(fā)動機正常的工作溫度是車輛正常運轉(zhuǎn)工作的重要保證。發(fā)動機艙體后置當(dāng)溫度過高時容易造成諸多的不利影響，比如，潤滑油的粘度下降，致使?jié)櫥闆r惡化；電路線圈變形損壞和斷裂；與高溫直接接觸的零部件由于大量吸熱而熱膨脹，導(dǎo)致部件之間的配合間隙變小，磨損增加；發(fā)動機功率下降，工作不穩(wěn)定從而降低發(fā)動機動力性和可靠性；易引發(fā)起自燃患造成嚴(yán)重事故。

本文通過對溫度場實驗得出發(fā)動機艙工作溫度測試和變化速率，結(jié)合CFD仿真分析艙體內(nèi)部溫度數(shù)值分布和上升速率變化的特征，判斷溫度傳感器的布置方位，改進(jìn)完善溫度預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。運用預(yù)先設(shè)定的檢測程序和電路，實時監(jiān)控測量發(fā)動機艙溫度數(shù)值及溫度上升速率，通過綜合判定溫度、溫度上升速率和預(yù)設(shè)三者的數(shù)值進(jìn)行對比，當(dāng)超過預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值時，立即發(fā)出預(yù)警信號［1］。需要說明的是，艙體內(nèi)溫度數(shù)值與溫度上升速率觸發(fā)預(yù)警的數(shù)值要根據(jù)不同的車輛型號進(jìn)行判斷。

2 CFD仿真結(jié)果數(shù)值分析

2.1 發(fā)動機艙溫度測試點的布置和實驗

公交車發(fā)動機艙的正常工作溫度一般在80～90 °C之間，但是高強度、高溫度的發(fā)動機工作溫度通常達(dá)到90～100 °C以上。隨著科技的發(fā)展，發(fā)動機安裝的零部件不斷增多，艙體內(nèi)空間越來越狹小，機艙散熱的挑戰(zhàn)不斷增大。在整車開發(fā)前期，針對這一問題提出解決方案，借助實驗測量與CFD仿真發(fā)動機艙相結(jié)合，利用溫度場測試出溫度分布及變化速率，通過仿真分析及驗證方案的有效性，以及安裝溫度傳感器，以此提高溫度預(yù)警系統(tǒng)的性能和可靠性。GB 13094-2017《客車結(jié)構(gòu)安全》針對發(fā)動機艙內(nèi)的溫度監(jiān)控規(guī)定：后置發(fā)動機艙內(nèi)應(yīng)裝配溫度預(yù)警系統(tǒng)和自動滅火裝置[2]。選取日常進(jìn)站檢測的公交車（金龍客車），抽取100臺不同型號的客車發(fā)動機的艙內(nèi)溫度數(shù)值，通過分析可知，如圖1所示，同一款車型不同的型號，其發(fā)動機在工作運行時的溫度值上有很大的差異。如果按同一預(yù)警數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，容易出現(xiàn)失誤。

實驗過程中，試驗區(qū)溫度為28 °C，選取車身長度9 m的金龍牌公交車作為測試車輛，將便攜式車載數(shù)據(jù)采集器、溫度采集顯示儀安裝于試驗用車上。在底盤測功機上通過模擬工況法進(jìn)行發(fā)動機熱平衡實驗，結(jié)合多年實地工作經(jīng)驗總結(jié)分析，在發(fā)動機艙分為如圖2所示的3處橫截面，將27個測量點設(shè)置在前部、中部、后部，且每處截面裝上9個表面測點，如圖3所示。

啟動控制電機，經(jīng)測控系統(tǒng)處理，將底盤測功機調(diào)整至多工況加載模式，模擬車輛行駛阻力，進(jìn)行實驗公交車在道路路面上行駛時低速爬坡、高速爬坡、急速行駛3種工況的測試試驗，使實驗公交車發(fā)動機的工作狀態(tài)接近最大扭矩和最大功率，當(dāng)發(fā)動機艙內(nèi)部趨近于熱平衡狀態(tài)時，測量并有序記錄各檢測點的溫度數(shù)值。實驗車艙溫度分布如圖4所示。

2.2 實驗數(shù)值結(jié)果分析

結(jié)合圖4所示的數(shù)據(jù)分析：

a.渦輪增壓器、發(fā)動機和渦輪增壓等熱力生產(chǎn)部件存在，截面B的幾處測試點溫度均大于90 ℃。

b.實測數(shù)據(jù)變化走向：從上到下溫度呈下降趨勢，從左到右溫度呈下降趨勢。

c.按照下式計算平均溫度[5]：

求得艙體內(nèi)部的平均工作溫度數(shù)值大于70 ℃。

2.3 CFD仿真艙體內(nèi)部溫度分布數(shù)值

發(fā)動機艙體類似一個半封閉的空間，內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，存在許多油、水、電管道。這是一個復(fù)雜的艙內(nèi)流動計算問題，就目前國內(nèi)外的CFD水平，還無法對其進(jìn)行完全真實形狀的數(shù)據(jù)模擬計算分析。因此，在保證反映艙內(nèi)真實流動特性分析計算的前提下，對艙內(nèi)一些對試驗影響不大的管道、電線等進(jìn)行局部簡化。由CFD分析后的數(shù)值可得出結(jié)論：發(fā)動機艙內(nèi)的工作運行溫度由上至下、從左至右呈遞減的趨勢，和實驗的分析結(jié)果基本一致［3］。

3 溫度預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 溫度傳感器布置

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，分析產(chǎn)品各相關(guān)指標(biāo)：定位、包裝、價格、市場目標(biāo)受眾、競爭優(yōu)勢；產(chǎn)品策略制、行業(yè)技術(shù)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展；原料供應(yīng)商。然后將溫度傳感器的數(shù)量定位為1個。選擇安裝位置時要參考以下內(nèi)容：

a.艙體溫度數(shù)值達(dá)到熱平衡后，該測試點的溫度數(shù)值是否相對穩(wěn)定。

b.艙體溫度的最大值是否在該點附近。

c.該點是否能夠有效遠(yuǎn)離電磁干擾和大量的熱輻射。

結(jié)合以上三方面再通過測功機試驗數(shù)值和CFD仿真結(jié)果，可將該車型傳感器布置在截面B的TB2位置。

3.2 系統(tǒng)預(yù)警預(yù)設(shè)值和溫度上升速率的確定

A1為預(yù)警溫度預(yù)設(shè)值，A2為實驗或所得某車型熱平衡后對比實驗環(huán)境溫度的上升值，A3為車輛正常工作模式運轉(zhuǎn)時的溫度常量。

預(yù)警溫度預(yù)設(shè)值的設(shè)定需要保證發(fā)動機的安全性。過高的溫度預(yù)設(shè)值可能會使發(fā)動機面臨嚴(yán)重的故障風(fēng)險，而過低的溫度預(yù)設(shè)值可能會導(dǎo)致誤報。合適的溫度預(yù)設(shè)值可以避免誤報，同時也可以及時發(fā)現(xiàn)異常情況，避免故障的進(jìn)一步擴大。實驗點TB2測得的最高溫度數(shù)值是90 ℃，車輛正常工作模式運轉(zhuǎn)時的溫度常量值是26 ℃，TB2測得的最高溫度數(shù)值減去車輛正常工作模式運轉(zhuǎn)時的溫度常量值90 ℃-26 ℃=64 ℃，即得出本實驗車型的預(yù)警預(yù)設(shè)值是64 ℃。

依據(jù)截面B的測點溫度，發(fā)動機進(jìn)入工作運轉(zhuǎn)模式后艙體內(nèi)溫度均大于80 ℃，選取大于80 ℃的區(qū)域溫度數(shù)值分析，可得出上升速率小于0.3 ℃/s。

3.3 系統(tǒng)硬件電路的組成

本文設(shè)計優(yōu)化的系統(tǒng)硬件電路如圖6所示，其中溫度傳感器是溫度預(yù)警系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其精度和相應(yīng)速度直接影響到系統(tǒng)的性能。為了提高溫度傳感器的性能，本方案選擇技術(shù)參數(shù)值為±0.1 ℃，接口電路和處理器集成均安裝于總線處理器中，處理器的功能是數(shù)據(jù)分析和預(yù)警判斷［4］。

根據(jù)處理器分析的溫度值和溫度上升速率等因素，當(dāng)存在潛在的工作溫度過高的危險時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信息，以提醒駕駛員，如圖7所示。

4 結(jié)語

該方案在實驗公交車上進(jìn)行了多次科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿炞C，并且通過人為設(shè)置冷卻系統(tǒng)故障，滿載高速運行一段時間后緊急停車熄火等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動機艙異常高溫或異常溫度快速上升時，預(yù)警系統(tǒng)均能準(zhǔn)確及時進(jìn)行預(yù)警提示。實驗公交車在5萬km的道路行駛實驗過程中，未發(fā)生預(yù)警系統(tǒng)誤報情況，準(zhǔn)確率達(dá)100％，有效地降低了后置發(fā)動機艙體溫度過高造成的不利影響，保障了公交車的安全穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)：

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[2]GB 13094-2017 客車結(jié)構(gòu)安全[S].

[3]沈凱，徐向陽，王先勇，等.后置客車發(fā)動機艙溫度場實驗[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，41（5）：779-783.

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作者簡介：

陳秋娜，女，1981年生，工程師，研究方向為機動車安全性能檢測及道路運輸車輛達(dá)標(biāo)核查檢測。